DE102018009592A1

DE102018009592A1 - Process for resource optimization of biological wastewater treatment

Info

Publication number: DE102018009592A1
Application number: DE102018009592.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-06-10

Abstract

KurzfassungTechnische Aufgabe und Zielsetzung:Das neue Verfahren zur Ressourcenoptimierung der Biologischen Abwasserreinigung setzt an der Erkenntnis an, dass in den meisten Abwässern die Nährstoffe im Verhältnis zum Kohlenstoff der organischen Abwasserinhaltsstoffe im Überschuss vorhanden sind, sodass keine optimale Vermehrung der aeroben bzw. anaeroben Biomasse möglich ist.Lösung der Technischen Aufgabe:Die Aufgabe wird gelöst, indem dem Abwasser nach Vorklärung und vor aerober oder anaerober biologischer Behandlung eine wässrige Lösung mit organischen Kohlenstoffverbindungen in einem Verhältnis zugemischt wird, dass das Massenverhältnis von Kohlenstoff (C) zu Stickstoff (N) und zu Phosphor (P) im Abwasser nach Mischung den Bereich für optimales Wachstum bakterieller Biomasse erreicht. In verschiedenen Ausführungsformen erlaubt das Verfahren auf der Basis dieser Merkmale die nachhaltige, effiziente und wirtschaftliche Gewinnung von Wertstoffen, Mineraldünger und Biomethan aus Abwasser und Bioabfallstoffen.Anwendungsgebiet:Das Verfahren eignet sich zur Schaffung neuer Plattformen für die Biologische Abwasserreinigung für kommunale und industrielle Abwässer. Es ersetzt die Energie-intensiven gängigen Verfahren der Stickstoff-Elimination. Die direkte Rückgewinnung von Phosphor durch Aufarbeitung der Biomasse (Überschuss-Schlamm bzw. Bioabfälle) ersetzt die heute für Klärschlamm übliche Verbrennung. Es bietet somit die Erweiterung der Kläranlage zur Nutzung des Abwassers als Ressource und mit der integrierten Aufarbeitung von Bioreststoffen und Bioabfällen die Erweiterung der Kläranlage zur „Bioraffinerie“ im Sinne der Bioökonomie.Technical task and objective: The new process for resource optimization of biological wastewater treatment starts with the knowledge that in most wastewater the nutrients are present in excess in relation to the carbon of the organic wastewater constituents, so that an optimal increase of the aerobic or anaerobic biomass is not possible Solution of the technical problem: The problem is solved by adding an aqueous solution with organic carbon compounds to the wastewater after preliminary treatment and before aerobic or anaerobic biological treatment in a ratio such that the mass ratio of carbon (C) to nitrogen (N) and to After mixing, phosphorus (P) in the wastewater reaches the area for optimal growth of bacterial biomass. In various embodiments, the process based on these features allows the sustainable, efficient and economical extraction of valuable materials, mineral fertilizers and biomethane from wastewater and bio-waste. It replaces the energy-intensive processes of nitrogen elimination. The direct recovery of phosphorus by processing the biomass (excess sludge or biowaste) replaces the incineration that is common today for sewage sludge. It thus offers the expansion of the wastewater treatment plant to use wastewater as a resource and, with the integrated processing of bio residues and bio-waste, the expansion of the wastewater treatment plant to a “biorefinery” in the sense of the bioeconomy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Biologischen Reinigung von kommunalem und industriellem Abwasser.The invention relates to a method for optimizing the biological purification of municipal and industrial wastewater.

Die biologische Reinigung von Abwasser in Form des Belebtschlamm-Verfahrens, bei dem organische Abwasser-Inhaltsstoffe aerob in mikrobielle Biomasse und Kohlendioxid umgewandelt werden, wird seit über 100 Jahren zur Reinigung von kommunalem Abwasser angewandt. Die anaerobe Behandlung mit Umwandlung der organischen Inhaltsstoffe in Biogas (Methan und Kohlendioxid) spielt bei kommunalen Abwässern praktisch (noch) keine Rolle, wohl aber bei der Behandlung industrieller Abwässer und von Schlämmen (Primär- und Sekundärschlamm) der aeroben Abwasserreinigung.The biological treatment of wastewater in the form of the activated sludge process, in which organic wastewater ingredients are aerobically converted into microbial biomass and carbon dioxide, has been used for the purification of municipal wastewater for over 100 years. The anaerobic treatment with conversion of the organic ingredients into biogas (methane and carbon dioxide) plays practically (still) no role in municipal wastewater, but it does in the treatment of industrial wastewater and sludge (primary and secondary sludge) for aerobic wastewater treatment.

Die aeroben Verfahren zur Abwasserreinigung weisen heute eine sehr hohe Reinigungsleistung in Bezug auf die Elimination organischer Abwasser-Inhaltsstoffe auf. Sie gewährleisten damit in hohem Maße die Einhaltung der Einleitgrenzwerte für abfiltrierbare Feststoffe, organische Stoffe in Form der Summenparameter CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf), BSB (Biochemischer Sauerstoffbedarf), TOC (Gesamter organischer Kohlenstoff) und in Kombination mit den Verfahren zur Stickstoff-Elimination, die ebenfalls zu den aeroben biologischen Verfahren gehören, auch für organisch gebundenen Stickstoff (TKN) und Ammonium-Stickstoff bzw. Gesamt-N auf.The aerobic processes for wastewater treatment today have a very high cleaning performance with regard to the elimination of organic wastewater ingredients. They thus ensure to a high degree compliance with the discharge limits for filterable solids, organic substances in the form of the sum parameters COD (chemical oxygen demand), BOD (biochemical oxygen demand), TOC (total organic carbon) and, in combination with the processes for nitrogen elimination, the also belong to the aerobic biological processes, also for organically bound nitrogen (TKN) and ammonium nitrogen or total N.

Der größte Nachteil dieser Verfahren ist jedoch die Bildung von Überschuss-Schlamm oder Sekundärschlamm, was heute ein großes Entsorgungsproblem darstellt. Die Biomasse des Sekundärschlamms wird überwiegend zusammen mit dem Primärschlamm, der als abgesetzter Schlamm in der mechanischen Vorklärung anfällt, nach Eindickung, anaerober Faulung und Entwässerung thermisch entsorgt (verbrannt), zum Teil noch in der Landwirtschaft entsorgt, was jedoch wegen seines hohen Gehalts an Schadstoffen (v. a. Schwermetalle) kaum mehr zulässig ist.However, the main disadvantage of these processes is the formation of excess sludge or secondary sludge, which is a major disposal problem today. The biomass of the secondary sludge is mostly thermally disposed of (combusted) together with the primary sludge, which accumulates as a settled sludge in the mechanical preliminary treatment, after thickening, anaerobic digestion and dewatering, but is still partly disposed of in agriculture, but this is due to its high content of pollutants (especially heavy metals) is hardly permissible anymore.

Die überwiegende Menge an Sekundärschlamm entsteht in der Belebungsstufe dort, wo denitrifizierende, fakultativ anaerobe Bakterien mit dem im Nitrit- und Nitrat-Ion gebundenen Sauerstoff biologisch leicht abbaubare organische Verbindungen als Energiequelle zu Kohlendioxid oxidieren und sich mit der damit gewonnene Energie vermehren. Auch bei der Nitrifikation, der mikrobiellen Oxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat mit molekularem (Luft- )Sauerstoff entsteht Bakterien-Biomasse als Überschussschlamm, jedoch nicht in so großer Menge wie beim Abbau der organischen Verbindungen. Aus den Abwasser-Inhaltsstoffen entstehen so ca. 0,3 bis 0,4 kg Biotrockenmasse (BTM) an Überschussschlamm je kg abgebautem CSB.The predominant amount of secondary sludge is generated in the activation stage where denitrifying, facultative anaerobic bacteria with the oxygen bound in the nitrite and nitrate ion oxidize readily biodegradable organic compounds as energy sources to carbon dioxide and multiply with the energy thus obtained. Bacterial biomass is also formed as excess sludge in nitrification, the microbial oxidation of ammonium via nitrite to nitrate with molecular (air) oxygen, but not in the same amount as in the degradation of organic compounds. From the wastewater ingredients, approx. 0.3 to 0.4 kg of dry organic matter (BTM) of excess sludge per kg of COD broken down are created.

Weiterhin ist der hohe Energieverbrauch der Klärtechnik ein großes Problem, verursacht zum größten Teil durch den Bedarf an elektrischer Energie für die Belüftung der Belebungsbecken zur Sauerstoff-Versorgung der Belebtschlamm- Mikroorganismen, hauptsächlich bei der Stickstoffumwandlung (Nitrifikation), der nur etwa zur Hälfte durch die Produktion von Strom aus dem Klärgas (mit einem Blockheizkraftwerk) gedeckt werden kann.Furthermore, the high energy consumption of the sewage treatment technology is a big problem, caused largely by the need for electrical energy for the aeration of the activated sludge tanks to supply oxygen to the activated sludge microorganisms, mainly in the case of nitrogen conversion (nitrification), which is only about half by the Production of electricity from the sewage gas (with a combined heat and power plant) can be covered.

Andererseits stellt die Biomasse-Bildung durch das Wachstum der aeroben Bakterien durch Assimilation der Abwasser-Inhaltsstoffe eine Anreicherung dieser Stoffe in der Biotrockenmasse dar: Während in häuslichem Abwasser organischer Kohlenstoff in der Größenordnung von 150 mg/l gelöst vorliegt, beträgt der Kohlenstoffgehalt von Belebtschlamm-Bakterien ca. 50 % der BTM. Das entspricht bei einem abgesetzten Sekundärschlamm (im Nachklärbecken) einer Konzentration von ca. 6000 mg/l, also einer Anreicherung um den Faktor 40. Wird der Sekundärschlamm noch entwässert, z. B. auf 30 % BTM, dann beträgt sein Kohlenstoffgehalt 15 %, das entspricht dann 150 g Kohlenstoff je kg entwässerten Schlamms, eine Anreicherung um den Faktor 1000.On the other hand, the formation of biomass due to the growth of aerobic bacteria by assimilation of the wastewater ingredients is an accumulation of these substances in the dry biomass: While organic carbon is in the order of 150 mg / l dissolved in domestic wastewater, the carbon content of activated sludge is Bacteria approx. 50% of the BTM. With a settled secondary sludge (in the secondary settling tank) this corresponds to a concentration of approx. 6000 mg / l, ie an enrichment by a factor of 40. If the secondary sludge is still dewatered, e.g. B. to 30% BTM, then its carbon content is 15%, which corresponds to 150 g of carbon per kg of dewatered sludge, an enrichment by a factor of 1000.

Unter diesem Aspekt stellt das Belebtschlamm Verfahren der Biologischen Abwasserreinigung nicht nur eine effiziente Lösung zur Elimination von Inhaltsstoffen und Schadstoffen aus dem Abwasser dar, sondern es bietet in Form des Sekundärschlamms eine Ressource zur Gewinnung von Energie (durch anaerobe Konversion der Biomasse zu Methan) und von Rohstoffen (durch Rückgewinnung von Biomolekülen und Nährstoffen) aus der Biomasse.From this point of view, the activated sludge process of biological wastewater treatment not only represents an efficient solution for the elimination of ingredients and pollutants from the wastewater, but it also offers a resource in the form of secondary sludge for the production of energy (through anaerobic conversion of the biomass to methane) and Raw materials (through the recovery of biomolecules and nutrients) from the biomass.

Ein effizientes Verfahren einer solchen Nutzung von industriellen Biomasse-Rückständen, aber auch von Überschuss-Schlamm von Kläranlagen wird in der DE 10 2016 014 103 A1 beschrieben, mit dem aus solcher Biomasse organische Wertstoffe (wie z. B. Proteinhydrolysat als Flüssigdünger, als Futtermittel oder Nahrungsergänzungsmittel, aber auch Aminosäuren), Mineral-Nährstoff-Lösungen bzw. -Nährstoffe und Biomethan (als Energieträger, Kraftstoff oder Chemierohstoff) gewonnen werden können.An efficient process of such use of industrial biomass residues, but also of excess sludge from sewage treatment plants is in the DE 10 2016 014 103 A1 with which organic materials (such as protein hydrolyzate as liquid fertilizer, feed or food supplement, but also amino acids), mineral nutrient solutions or nutrients and biomethane (as an energy source, fuel or chemical raw material) are obtained from such biomass can.

Doch mit dem konventionellen Belebstschlamm-Verfahren (wie auch mit den Verfahren der direkten anaeroben Aufarbeitung von Abwässern mit Biogas-Gewinnung) können zwar nahezu alle Kohlenstoff-Verbindungen, aber nicht alle Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser eliminiert werden. Insbesondere Stickstoff in Form von Ammonium-Ionen als auch Phosphor in Phosphat-Ionenform sowie die meisten Alkali- Erdalkali- und Metall-Ionen bleiben im Abwasser gelöst, soweit sie nicht bei der Bildung des Sekundärschlamms von den Mikroorganismen assimiliert werden. Stickstoff und Phosphor müssen daher in der Kläranlage in zusätzlichen Teilprozessen wie Nitrifikation (Ammonium zu Nitrit/Nitrat) und Denitrifikation (Nitrit/Nitrat zu molekularem Stickstoff) bzw. Phosphatelimination (biologisch durch Förderung der Speicherung in den Zellen, chemisch durch Phosphat-Fällung) aufwändig entfernt werden.However, with the conventional activated sludge process (as well as with the direct anaerobic treatment of waste water with biogas extraction) almost all carbon compounds, but not all nutrients such as nitrogen and phosphorus, can be eliminated from the waste water. In particular nitrogen in the form of ammonium ions as well as phosphorus in phosphate The ion form and most of the alkali, alkaline earth and metal ions remain dissolved in the wastewater, provided that they are not assimilated by the microorganisms during the formation of the secondary sludge. Nitrogen and phosphorus therefore have to be laborious in the sewage treatment plant in additional sub-processes such as nitrification (ammonium to nitrite / nitrate) and denitrification (nitrite / nitrate to molecular nitrogen) or phosphate elimination (biologically by promoting storage in the cells, chemically by phosphate precipitation) be removed.

Der Grund für die begrenzte Assimilation dieser Nährstoff-Komponenten ist, dass Abwasser im Verhältnis zum Kohlenstoff in den organischen Abwasser-Inhaltsstoffen mehr Nährstoff-Komponenten enthalten als dem Mengenverhältnis dieser Stoffe in der Biotrockenmasse der Mikroorganismen entspricht. Daher können die Mikroorganismen im Belebungsbecken zwar den in den Inhaltsstoffen vorhandenen Kohlenstoff durch Oxidation zu Kohlendioxid (zur Gewinnung von Energie für die Zellmasse-Synthese) und durch Assimilation in die Biomasse weitgehend eliminieren, wobei aber von den Nährstoffen bei den meisten Kläranlagen ca. 50 % der Nährstoffkomponenten im Abwasser gelöst bleiben, weil nur ca. 50 % der im Abwasser vorhandenen Nährstoffe dem Bedarf der Mikroorganismen zum Aufbau ihrer Zellmasse entspricht.The reason for the limited assimilation of these nutrient components is that wastewater contains more nutrient components in relation to the carbon in the organic wastewater ingredients than corresponds to the quantitative ratio of these substances in the dry biomass of the microorganisms. Therefore, the microorganisms in the aeration tank can largely eliminate the carbon present in the ingredients by oxidation to carbon dioxide (to generate energy for cell mass synthesis) and by assimilation into the biomass, but about 50% of the nutrients in most sewage treatment plants of the nutrient components remain in the wastewater because only about 50% of the nutrients present in the wastewater meet the needs of the microorganisms to build up their cell mass.

Das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff zu Phosphor (C/N/P-Verhältnis) in kommunalem Abwasser beträgt im Schnitt, über alle Kläranlagen in Deutschland gerechnet, C/N/P ≈ 50/10/2. Dies ergibt sich aus den statistischen Angaben zum Anfall von Abwasser und seinen Inhaltsstoffen (mit Summenparametern) je Einwohner und Tag für den CSB mit 120 g/EW/d, den organischen Kohlenstoff (TOC) mit 50 g/EW/d, den Stickstoff (Organisch-N und Ammonium-N) mit 11 g/EW/d und den Phosphor (Organisch-P, Polyphosphat, Phosphat) mit 2,5 g/EW/d (ATV-Handbuch Klärschlamm 4. Aufl. 1996.The ratio of carbon to nitrogen to phosphorus (C / N / P ratio) in municipal wastewater is, on average, calculated across all sewage treatment plants in Germany, C / N / P ≈ 50/10/2. This results from the statistical information on the amount of wastewater and its ingredients (with total parameters) per inhabitant and day for the COD with 120 g / PE / d, the organic carbon (TOC) with 50 g / PE / d, the nitrogen ( Organic-N and ammonium-N) with 11 g / EW / d and the phosphorus (Organic-P, polyphosphate, phosphate) with 2.5 g / EW / d (ATV manual sewage sludge 4th . 1996 edition.

Die Zusammensetzung bakterieller Biomasse (z. B. für B. subtilis ( Dauner, M., T Storni u. U. Sauer Bacillus subtilis Metabolism and Energetics in Carbon-Limited and Excess-Carbon ChemostatCulture. Journal of Bacteriology, Dez. 2001, 7308–7317. )) kann für N-limitierte Ernährungsweise durch die Formel C₁H_1,646O_0,410N_0,219P_0,019S_0,005 angegeben werden. Berücksichtigt man nur C, H, O, N und P, ergibt sich daraus vereinfacht C₁₀₅H₁₇₃O₄₃N₂₃P₂. Das massebezogene Verhältnis C/N/P wird daraus ≈ 40/10/2.The composition of bacterial biomass (e.g. for B. subtilis ( Dauner, M., T Storni u. U. Sauer Bacillus subtilis Metabolism and Energetics in Carbon-Limited and Excess-Carbon ChemostatCulture. Journal of Bacteriology, Dec. 2001, 7308-7317. )) can be specified for N-limited diets _using the formula C ₁ H _1.646 O _0.410 N _0.219 P _0.019 S _0.005 . Taking only C, H, O, N and P into account, this results in a simplified C ₁₀₅ H ₁₇₃ O ₄₃ N ₂₃ P ₂ . The mass-related ratio C / N / P becomes ≈ 40/10/2.

Dieses Verhältnis entspricht bis auf den Kohlenstoffanteil ziemlich genau dem Verhältnis kommunalen Abwassers, was nicht wirklich wundert, stammt doch der größte Anteil der Abwasser-Inhaltsstoffe aus Quellen und Abbauprodukten der menschlichen Ernährung.
Es wird jedoch deutlich, dass zur Deckung des Nährstoffbedarfs von Bakterien aus den Abwasser-Inhaltsstoffen ein erhebliches Kohlenstoff-Defizit im Vergleich zu N und P existiert, denn Bakterien benötigen für aerobes Wachstum etwa die gleiche Menge an Kohlenstoff für die Energiegewinnung (durch Atmung) wie für die Assimilation (zur Biomasse-Synthese). Daraus resultiert die Forderung an die Nährlösung für optimales Biomasse-Wachstum, dass das C/N/P-Verhältnis ≈ 100/10/2 betragen soll, damit keine C-Limitierung auftritt.Except for the carbon content, this ratio corresponds almost exactly to the ratio of municipal wastewater, which is not really surprising, since most of the wastewater ingredients come from sources and degradation products of human nutrition.
However, it becomes clear that there is a significant carbon deficit compared to N and P to cover the nutrient requirements of bacteria from the wastewater ingredients, because bacteria need about the same amount of carbon for energy production (through breathing) as for aerobic growth for assimilation (for biomass synthesis). This results in the requirement for the nutrient solution for optimal biomass growth that the C / N / P ratio should be ≈ 100/10/2 so that no C limitation occurs.

Verwendet man nun ein Abwasser mit diesem C/N/P-Verhältnis und weiteren Abwasser-Inhaltsstoffen, die als Nährstoffe (Mineralstoffe) dienen können, als Substrat einer Mischkultur von Belebtschlamm-Bakterien, ist zu erwarten, dass nicht der Kohlenstoffgehalt, wohl aber der Gehalt an Stickstoff und Phosphor das Wachstum der Bakterien limitiert. Dies wird dazu führen, dass der Stickstoff und der Phosphor im Abwasser nahezu vollständig von den Bakterien verbraucht wird und nun ein geringer Teil der ursprünglich im Abwasser vorhandenen Kohlenstoffverbindungen (also CSB) übrig bleibt.If you now use wastewater with this C / N / P ratio and other wastewater ingredients, which can serve as nutrients (minerals), as a substrate for a mixed culture of activated sludge bacteria, it is to be expected that not the carbon content, but that Content of nitrogen and phosphorus limits the growth of the bacteria. This will result in the nitrogen and phosphorus in the wastewater being almost completely consumed by the bacteria and now leaving a small part of the carbon compounds (COD) originally present in the wastewater.

Geht man von der statistischen Zusammensetzung von Kommunalabwasser (50/10/2) und einem C-Anteil für Energiegewinn durch Atmung und Assimilation (Biomasse-Synthese) von je 50 % aus, würden bei einem Verhältnis von C/N/P = 100/10/2 alle drei Hauptnährstoff-Elemente gleichermaßen verbraucht und damit aus dem Abwasser eliminiert. Diese Erkenntnis stellt die Grundlage der vorliegenden Erfindung, das „Verfahren zur Ressourcenoptimierung der Biologischen Abwasserreinigung“ dar.Assuming the statistical composition of municipal wastewater (50/10/2) and a C component for energy gain through respiration and assimilation (biomass synthesis) of 50% each, a ratio of C / N / P = 100 / 10/2 consumed all three main nutrient elements equally and thus eliminated them from the wastewater. This finding forms the basis of the present invention, the “process for resource optimization of biological wastewater treatment”.

Der Erfindungsgedanke besteht nun darin, den Kohlenstoff-Gehalt von kommunalen und auch nicht optimal zusammengesetzten industriellen und landwirtschaftlichen Abwässern durch Zufuhr von Kohlenstoff haltigen Verbindungen so anzupassen, dass die für das Bakterienwachstum optimale Zusammensetzung eingestellt wird. Damit wird erreicht, dass nahezu alle Inhaltsstoffe des Abwassers in Biomasse umgewandelt und so weitestgehend dem Abwasser entzogen werden können. Damit gewinnt man ein Höchstmaß an Biomasse als Rohstoff für die Gewinnung von Wertstoffen und Energie, wodurch eine effektive und nachhaltige Ressourceneffizienz bei der Biologischen Abwasserreinigung erzielt werden kann.The idea of the invention now consists in adapting the carbon content of municipal and also not optimally composed industrial and agricultural wastewater by adding carbon-containing compounds in such a way that the optimum composition for bacterial growth is set. This means that almost all of the wastewater ingredients can be converted into biomass and thus largely removed from the wastewater. In this way, a maximum amount of biomass is obtained as a raw material for the extraction of valuable materials and energy, which enables effective and sustainable resource efficiency in biological wastewater treatment.

Die optimale Zusammensetzung liegt im Bereich von C/N/P = 120/10/1,5 bis 80/10/2,5 für optimales Wachstum bakterieller aerober Biomasse beziehungsweise von C/N/P = 600/10/1,5 bis 400/10/2,5 für optimales Wachstum bakterieller anaerober Biomasse. Die Konzentration der Elemente C, N und P in kommunalen und den meisten industriellen Abwässern liegen nicht in diesem Bereich. Bei den allermeisten Abwässern besteht ein Mangel an Kohlenstoff in den organischen Abwasser-Inhaltsstoffen.The optimal composition is in the range from C / N / P = 120/10 / 1.5 to 80/10 / 2.5 for optimal growth of bacterial aerobic biomass or from C / N / P = 600/10 / 1.5 to 400/10 / 2.5 for optimal growth of bacterial anaerobic biomass. The concentration of elements C, N and P in municipal and most industrial wastewater is not in this range. Both Most of the wastewater is deficient in carbon in the organic wastewater ingredients.

Diese Erkenntnis stützt den Erfindungsgedanken, wonach dieser Mangel durch Zufuhr geeigneter Substrate zum Abwasser behoben werden kann. Die entscheidende Forderung an die Zusammensetzung dieser Substrate besteht nun darin, dass sie im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt wesentlich geringere Gehalte an Stickstoff und Phosphor enthalten dürfen als das Abwasser, mit dem sie vermischt werden müssen (Anspruch 1).This finding supports the inventive idea that this deficiency can be remedied by supplying suitable substrates to the waste water. The decisive requirement for the composition of these substrates now is that they may contain, in relation to the carbon content, significantly lower levels of nitrogen and phosphorus than the wastewater with which they have to be mixed (claim 1).

Dafür kommen deshalb zunächst solche Substrate in Frage, die Kohlenstoff-Verbindungen in hoher Konzentration (CSB größer als ca. 30 kg/m³) enthalten (Anspruch 2), wie hoch belastete Industrieabwässer (Beispiele: Chemie-Abwasser aus der Herstellung von Terephthalsäure oder Dimethyltherephthalat oder der Herstellung von Polyester; Zuckerlösungen der Pektinherstellung). Abwässer mit niedrigen Konzentrationen an Kohlenstoff-Verbindungen scheiden wegen der erforderlichen großen Mengen durch unwirtschaftlich hohe Transportkosten aus.For this reason, substrates that contain carbon compounds in high concentrations (COD greater than approx. 30 kg / m ³ ) (claim 2), such as highly polluted industrial waste water (examples: chemical waste water from the production of terephthalic acid or Dimethyl terephthalate or the production of polyester; sugar solutions for pectin production). Wastewater with low concentrations of carbon compounds is ruled out due to the large amounts required due to uneconomically high transport costs.

Feststoffhaltige Substrate (Feststoff-Biomassen, Suspensionen bzw. Schlämme) auch ungelöste organische Kohlenstoff-Verbindungen mit nur geringen Gehalten an Stickstoff und Phosphor, z. B. Stärkesuspensionen, können ebenfalls zur Aufstockung des KohlenstoffGehalts im Abwasser eingesetzt werden, wenn die festen Kohlenstoff-Verbindungen z. B. durch Hydrolyse mit Enzymen und Vergärung z. B. zu Alkohol (bei Kohlenhydraten) oder durch anaerobe Säure-Fermentation (Säuregärung) mit heterotrophen Säurebildnern (Bakterien) verflüssigt und in Lösung gebracht werden (Anspruch 3).Solid substrates (solid biomass, suspensions or sludges) also undissolved organic carbon compounds with only low levels of nitrogen and phosphorus, e.g. B. starch suspensions, can also be used to increase the carbon content in the wastewater if the solid carbon compounds z. B. by hydrolysis with enzymes and fermentation z. B. liquefied to alcohol (carbohydrates) or by anaerobic acid fermentation (acid fermentation) with heterotrophic acid generators (bacteria) and brought into solution (claim 3).

Es kommen jedoch auch Stickstoff und Phosphor, z. B. Proteine und Nukleinsäuren enthaltende feste Substrate als Quellen für i. W. Kohlenstoff haltige Lösungen zur Deckung des Kohlenstoff-Mangels im Abwasser in Frage. Proteinhaltige Substrate sind z. B. Biomasse-Rückstände aus Fermentationen (Bakterienschlämme, Überschusshefe aus Brauereien, Hefegeläger von Weinkeltereien), Biertreber, Schlachthofabfälle, Speisereste, Zuckerrübenschnitzel, Kleie, Gluten, ....), aber auch Überschuss-Schlämme der aeroben Abwasserreinigung.
Damit solche Proteine enthaltende Substrate zur Deckung des Kohlenstoff-Mangels eingesetzt werden können, müssen sie so aufgearbeitet werden, dass Stickstoff und Phosphor, ggf. auch weitere Ionen (Metalle) abgetrennt werden können. Dafür wird vorgeschlagen, die Stickstoff und Phosphor enthaltenden Moleküle der Substrate nach Zerkleinerung durch Hydrolyse und Versäuerung in Lösung zu bringen (Anspruch 4). Dabei werden auch Stickstoff und Phosphor v. a. in Form von Ammonium-Ionen bzw. von Phosphat-Ionen gelöst. Nun können Stickstoff und Phosphor mit einem geeigneten Trennverfahren aus der Lösung separiert werden, z. B. durch lonenaustausch. Damit ist sogar eine Trennung von Stickstoff und Phosphor in zwei separate Lösungen möglich.However, nitrogen and phosphorus, e.g. B. solid substrates containing proteins and nucleic acids as sources for i. W. Carbon-containing solutions to cover the carbon deficiency in the waste water in question. Protein-containing substrates are e.g. B. Biomass residues from fermentations (bacterial sludge, surplus yeast from breweries, yeast leek from wineries), beer spent grains, slaughterhouse waste, leftovers, sugar beet pulp, bran, gluten, ...), but also surplus sludge from aerobic wastewater treatment.
So that substrates containing such proteins can be used to cover the carbon deficiency, they have to be worked up in such a way that nitrogen and phosphorus, and possibly also other ions (metals), can be separated off. For this purpose, it is proposed to bring the nitrogen and phosphorus-containing molecules of the substrates into solution after comminution by hydrolysis and acidification (claim 4). Nitrogen and phosphorus, especially in the form of ammonium ions and phosphate ions, are also dissolved. Now nitrogen and phosphorus can be separated from the solution using a suitable separation process, e.g. B. by ion exchange. It is even possible to separate nitrogen and phosphorus into two separate solutions.

Für die Aufarbeitung solcher proteinreichen Substrate ist ein Verfahren nach der DE10 2016 014 103 A1 besonders geeignet.For the processing of such protein-rich substrates, a method according to the DE10 2016 014 103 A1 particularly suitable.

Die von Stickstoff und Phosphor befreite, i. W. organische Säuren und Alkohole enthaltende Lösung kann nun mit dem Abwasser in einem definierten Mischungsverhältnis vermischt werden, dass in der Mischung die für optimales Wachstum der Belebtschlamm- Biomasse (oder auch einer anaeroben Bakterien-Mischkultur) erforderlichen Konzentrationen an Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor erreicht werden. Durch Zumischen der separierten Lösungen mit Stickstoff bzw. Phosphor kann sogar noch ein eventuell bestehendes ungünstiges Verhältnis beim Stickstoff bzw. Phosphor optimiert werden (Anspruch 5).The freed of nitrogen and phosphorus, i. W. Solution containing organic acids and alcohols can now be mixed with the wastewater in a defined mixing ratio so that the mixture reaches the concentrations of carbon, nitrogen and phosphorus required for optimal growth of the activated sludge biomass (or an anaerobic mixed bacteria culture) will. By admixing the separated solutions with nitrogen or phosphorus, a possibly existing unfavorable ratio for nitrogen or phosphorus can even be optimized (claim 5).

Wenn nun also das Mischabwasser einem Bioreaktor zugeführt wird, der mit einer Mischkultur aerober oder anaerober Bakterien beimpft wurde, vermehren sich diese Bakterien durch Assimilation und Dissimilation der Inhaltsstoffe des Abwassers und der zugeführten Lösung in optimaler Weise, das heißt mit maximalem Zellmasse-Ertrag (kg Zell-Trockenmasse je kg Kohlenstoff bzw. je kg CSB), indem sie die Nährstoffe aus dem Mischabwasser in der Menge entnehmen, die ihrer Elementar-Zusammensetzung (Stöchiometrie) entspricht. Entspricht die Menge der Inhaltsstoffe in der Mischung genau der dafür erforderlichen Zusammensetzung, werden diese Stoffe gleichzeitig weitestgehend aus der Mischung entfernt, sodass das Abwasser-Reinigungsziel (maximale Elimination der Abwasser-Inhaltsstoffe) optimal erreicht wird. Dafür ist allerdings auch die Wahl eines optimalen Bioreaktors bzw. eine optimale Betriebsweise des Reaktors erforderlich.If the mixed wastewater is then fed to a bioreactor that has been inoculated with a mixed culture of aerobic or anaerobic bacteria, these bacteria multiply in an optimal manner by assimilation and dissimilation of the constituents of the wastewater and the solution supplied, i.e. with maximum cell mass yield (kg Dry cell mass per kg of carbon or per kg of COD) by taking the nutrients from the mixed wastewater in the amount that corresponds to their elemental composition (stoichiometry). If the amount of the ingredients in the mixture corresponds exactly to the required composition, these substances are largely removed from the mixture at the same time, so that the wastewater treatment goal (maximum elimination of the wastewater ingredients) is optimally achieved. However, this also requires the selection of an optimal bioreactor or an optimal mode of operation of the reactor.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt aber noch eine weitere verblüffende Lösungsvariante zu:

Die dem Abwasser zuzuführende Kohlenstoff-haltige Lösung lässt sich auch durch Aufarbeitung (Zellaufschluss, Hydrolyse, Separation in Lösungen mit organischen Säuren, Stickstoff- bzw. Phosphat-Ionen) der aus der Mischung durch optimales Wachstum gewonnen Biomasse selbst herstellen (Anspruch 6). Dabei wird so viel der separierten, im wesentlichen Kohlenstoff enthaltenden Lösung (mit organischen Säuren) dem Abwasser beigemischt, dass das C/N/P-Verhältnis in der Mischung für optimales Biomassewachstum (aerob bzw. anaerob) erreicht wird. Da bei den meisten Abwässern ein Mangel an Kohlenstoff besteht, ist hierfür meist nur eine Rückführung der C-haltigen Fraktion nötig.

However, the method according to the invention also permits a further astonishing variant of the solution:

The carbon-containing solution to be supplied to the wastewater can also be produced by working up (cell disruption, hydrolysis, separation in solutions with organic acids, nitrogen or phosphate ions) the biomass obtained from the mixture by optimal growth (claim 6). So much of the separated, essentially carbon-containing solution (with organic acids) is mixed into the wastewater that the C / N / P ratio in the mixture for optimal biomass growth (aerobic or anaerobic) is achieved. Since most of the wastewater has a lack of carbon, it is usually only necessary to recycle the C-containing fraction.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung des Verfahrens lässt sich gemäß Anspruch 12 realisieren, wenn man ein Automatisierungssystem implementiert, mit dem man die Dosierung der Fraktionen, die im Wesentlichen die organischen Säuren, Stickstoff bzw. Phosphor enthalten, so steuern kann, dass im gereinigten Abwasser bzw. im Bioreaktor die Konzentrationen von C, N und P alle ein Minimum erreichen. Dazu werden im Auslauf des Bioreaktors, in dem sich die aerobe bzw. anaerobe Bakterien-Mischkultur durch Assimilation der Abwasser-Inhaltsstoffe vermehrt, die Konzentrationen von C, N und P kontinuierlich gemessen. Die Konzentrationssignale dieser Messgrößen werden in einer Steuerung verarbeitet und unter Berücksichtigung der jeweiligen Konzentrationen von C, N und P im zulaufenden Abwasser mit einem Simulationsmodell bilanziert. Mithilfe intelligenter digitaler Algorithmen können so die Dosiereinrichtungen für die Fraktionen gesteuert werden, sodass beide Ziele optimal angenähert werden: Maximale Ausbeute an Biomasse (aerobe bzw. anaerobe Bakterien) und gleichzeitig höchstmöglicher Abbau der Abwasser-Inhaltsstoffe für minimale Konzentrationen der Schad- und Nährstoffe im gereinigten Abwasser. A particularly advantageous embodiment of the method can be implemented according to claim 12 if an automation system is implemented with which the metering of the fractions, which essentially contain the organic acids, nitrogen or phosphorus, can be controlled in such a way that in the cleaned wastewater or in the bioreactor the concentrations of C, N and P all reach a minimum. For this purpose, the concentrations of C, N and P are continuously measured in the outlet of the bioreactor, in which the aerobic or anaerobic mixed bacteria culture is increased by assimilation of the wastewater ingredients. The concentration signals of these measured variables are processed in a control system and balanced with a simulation model taking into account the respective concentrations of C, N and P in the incoming wastewater. With the help of intelligent digital algorithms, the dosing devices for the fractions can be controlled so that both goals are optimally approximated: maximum yield of biomass (aerobic or anaerobic bacteria) and at the same time the highest possible degradation of the wastewater ingredients for minimum concentrations of harmful and nutrients in the cleaned Sewage.

Das Verfahren gemäß Anspruch 1, 3, 4 und/oder 6 besitzt noch weitere vorteilhafte Lösungsvarianten zur Optimierung der Abwasserreinigung:

Aus den externen Substraten und der durch Wachstum aus den Abwasser-Inhaltsstoffen erzeugten Biomasse können gemäß Anspruch 7 durch Hydrolyse Wertstoffe (Produkte) wie Aminosäuren, organische Säuren sowie Gemische für Nährlösungen, Flüssigdünger, Futtermittel, Nahrungsergänzungsmittel u. ä. und durch Versäuerung und Ionen-Separation organische Säuren und Mineraldünger gewonnen werden, die durch den Verkauf zur Kostendeckung des Betriebs bzw. zur Gewinnerzielung dienen können. Auf diese Weise lässt sich durch das Verfahren mit dem Abwasser als Ressource ein bedeutender Baustein der Bioökonomie realisieren. Dadurch stellt die Kombination der Biologischen Abwasserreinigung mit der Biologischen Abfall- bzw. Reststoff-Behandlung in einem integrierten Verfahrenskomplex eine überaus effiziente, nachhaltige und ökonomische Lösung weit verbreiteter Umwelt- und Ressourcen-Probleme dar.

The method according to

claim

1, 3, 4 and / or 6 has further advantageous solution variants for optimizing the wastewater treatment:

From the external substrates and the biomass generated by growth from the wastewater ingredients, according to claim 7 by hydrolysis valuable substances (products) such as amino acids, organic acids and mixtures for nutrient solutions, liquid fertilizers, animal feed, food supplements and the like. Ä. And by acidification and ion separation organic acids and mineral fertilizers can be obtained, which can serve to cover costs of the operation or to make a profit through the sale. In this way, the process with wastewater as a resource can be an important component of the bioeconomy. As a result, the combination of biological wastewater treatment with biological waste or residue treatment in an integrated process complex represents an extremely efficient, sustainable and economical solution to widespread environmental and resource problems.

Die Effizienz dieser Lösung wird durch Nutzung aller dem Verfahren zugeführten und in diesem durch biologische Konversion entstehenden Stoffe deutlich. In den meisten Fällen wird sich durch externe Zufuhr von Kohlenstoff-Verbindungen (aus dem Abwasser und den externen Substraten) bilanzmäßig ein Kohlenstoff-Überschuss in Form nicht für das optimale Wachstum der aeroben oder anaeroben Biomasse erforderlichen Lösung ergeben. Diese Überschussmenge i. W. organischer Säurelösungen kann gemäß Anspruch 8 in einem Biogas-Methanreaktor zur Gewinnung von Biogas (Gasgemisch aus Methan und Kohlendioxid) genutzt werden. Dadurch wird in Verbindung mit der Wertstoffgewinnung gemäß Anspruch 7 eine vollständige Verwertung aller Inhaltsstoffe des Abwassers und der externen Substrate möglich. Aus dem so gewonnenen Biogas können in einem Blockheizkraftwerk Strom und Wärme gewonnen werden, die zur Deckung des Energiebedarfs der Abwasserreinigung herangezogen werden. Bei entsprechend hohem Anteil von externer Biomasse wird aber ein Überschuss an Biogas entstehen, sodass bei der internen energetischen Verwertung ein Wärmeüberschuss auftreten würde. In diesem Fall wäre nun auch eine weitere effiziente Möglichkeit zur Nutzung der Überschüsse, aus dem Biogas Methan durch Gasaufbereitung oder durch CO₂-Methanisierung mit nachhaltig erzeugtem Elektrolyse-Wasserstoff zu gewinnen, das ins Erdgasnetz eingespeist und so gespeichert werden kann.The efficiency of this solution becomes clear through the use of all substances that are added to the process and that result from biological conversion. In most cases, the external supply of carbon compounds (from the wastewater and the external substrates) will result in a carbon surplus in the form of a solution not required for the optimal growth of the aerobic or anaerobic biomass. This excess amount i. W. organic acid solutions can be used according to claim 8 in a biogas-methane reactor for the production of biogas (gas mixture of methane and carbon dioxide). As a result, in conjunction with the recovery of valuable materials according to claim 7, a complete recovery of all ingredients of the wastewater and the external substrates is possible. The biogas obtained in this way can be used to generate electricity and heat in a combined heat and power plant, which are used to cover the energy requirements of wastewater treatment. With a correspondingly high proportion of external biomass, however, an excess of biogas will arise, so that a surplus of heat would occur during internal energy recovery. In this case, there would also be another efficient way of using the surpluses to obtain methane from the biogas by gas processing or by CO ₂ methanation with sustainably produced electrolysis hydrogen, which can then be fed into the natural gas network and stored.

Zusätzlicher Kohlenstoff in Form organischer Verbindungen, gewonnen aus Kohlendioxid-Gas (aus verfahrensinternen CO₂-Quellen oder aus externen, z. B. gewonnen aus Abgasen oder aus der atmosphärischen Luft) kann entsprechend einer weiteren innovativen Verfahrensidee gemäß Anspruch 9 in das Verfahren zur Optimierung der Biologischen Abwasserreinigung integriert werden.Additional carbon in the form of organic compounds obtained from carbon dioxide gas (from internal CO ₂ sources or from external sources, e.g. obtained from exhaust gases or from atmospheric air) can be used in the process for optimization in accordance with a further innovative process idea biological wastewater treatment.

Danach wird das Abwasser nach Vorklärung und vor aerober oder anaerober biologischer Behandlung einem Algenbioreaktor zugeführt, in dem sich eine Kultur von Mikroalgen oder phototrophen Bakterien durch Assimilation der im Abwasser gelösten Nährstoffe (wie Stickstoff, Phosphor, Kalium usw.) und dem Bioreaktor zugeführten Kohlendioxids vermehrt und dadurch das C/N/P-Verhältnis im Abwasser so verändert, dass der Bereich von C/N/P = 120/10/1,5 bis 80/10/2,5 für optimales Wachstum bakterieller aerober Biomasse beziehungsweise der Bereich von C/N/P = 600/10/1,5 bis 400/10/2,5 für optimales Wachstum bakterieller anaerober Biomasse erreicht wird.After wastewater treatment and prior to aerobic or anaerobic biological treatment, the wastewater is fed to an algae bioreactor in which a culture of microalgae or phototrophic bacteria is increased by assimilation of the nutrients (such as nitrogen, phosphorus, potassium, etc.) dissolved in the wastewater and carbon dioxide supplied to the bioreactor and thereby changes the C / N / P ratio in the wastewater so that the range from C / N / P = 120/10 / 1.5 to 80/10 / 2.5 for optimal growth of bacterial aerobic biomass or the range from C / N / P = 600/10 / 1.5 to 400/10 / 2.5 for optimal growth of bacterial anaerobic biomass is achieved.

Über die definierte Zufuhr von Kohlendioxidgas zu der Algenkultur in einem Photo-Bioreaktor kann die Integration externen oder intern recyclierten Kohlenstoffs so gesteuert werden, dass im Algenbioreaktor (vgl. Anspruch 11) und in einem ggf. nachgeschalteten Belebtschlamm- bzw. Anaerobfermenter eine optimale Einbindung von C, N und P in Biomasse erreicht wird, die wiederum in der Biomasse-Aufarbeitung durch Hydrolyse, Versäuerung und Biogas-Fermentation optimal zu Wertstoffen, Mineraldünger und Methan konvertiert werden kann. Auf diese Weise werden aber auch die Qualitätsparameter für gereinigte Abwasser zum Ableiten oder als Brauchwasser erreicht.Via the defined supply of carbon dioxide gas to the algal culture in a photo bioreactor, the integration of external or internally recycled carbon can be controlled in such a way that optimal integration of in the algal bioreactor (see claim 11) and in a downstream activated sludge or anaerobic fermenter C, N and P are achieved in biomass, which in turn can be optimally converted into valuable materials, mineral fertilizers and methane in the biomass processing by hydrolysis, acidification and biogas fermentation. In this way, however, the quality parameters for purified wastewater for draining or as service water are also achieved.

Weitere optimierende Gestaltungsmöglichkeiten liegen in der Nutzung des Sauerstoffs, wenn zur Gewinnung von speicherbarem Methan aus den Überschüssen organischer Substanzen die Methanisierung des Kohlendioxids (power to gas) in das Verfahren integriert wird. Der bei der Elektrolyse von Wasser zur Wasserstoff-Generierung anfallende Sauerstoff kann zur effizienten „Belüftung“ eines aeroben Fermenters zur Biomassegewinnung aus dem Abwasser eingesetzt werden. Dadurch besteht dann das Fermentationsabgas praktisch nur aus Kohlendioxid, mit welchem die photoautotrophe Algenkultur als Kohlenstoffquelle versorgt werden kann, denn die Algen können ihren Kohlenstoffbedarf nicht aus organisch gebundenem Kohlenstoff decken. Auf diese Weise und in Verbindung mit einer effektiven Automatisierungsstrategie auf der Basis der Element- und Stoffbilanzierung lassen sich alle Inhaltsstoffe des Abwassers und der beteiligten externen und intern erzeugten Biomassen effektiv und nachhaltig in Form von Produkten nutzen. Aber natürlich kann auch ohne „power to gas“ die Algenkultur mit internem CO₂ als C-Quelle versorgt werden, wenn das CO₂ aus dem Biogas vom Methan (Produkt) getrennt und in den Photo-Bioreaktor geleitet wird. Further optimizing design options lie in the use of oxygen if the methanation of carbon dioxide (power to gas) is integrated into the process to obtain storable methane from the excesses of organic substances. The oxygen generated during the electrolysis of water to generate hydrogen can be used to efficiently “aerate” an aerobic fermenter for the extraction of biomass from wastewater. As a result, the fermentation waste gas consists practically only of carbon dioxide, with which the photoautotrophic algal culture can be supplied as a carbon source, because the algae cannot cover their carbon requirements from organically bound carbon. In this way and in conjunction with an effective automation strategy based on element and material balancing, all ingredients of the wastewater and the external and internally generated biomass involved can be used effectively and sustainably in the form of products. But of course the algae culture can also be supplied with internal CO ₂ as a C source without "power to gas" if the CO ₂ from the biogas is separated from the methane (product) and fed into the photo-bioreactor.

In der Literatur ist kein vergleichbar vielfältiges, effektives, nachhaltiges innovatives Verfahren bekannt, das derart die Optimierung der Biologischen Abwasserreinigung ermöglicht. Alle bekannten Ansätze und Prozessvorschläge bzw. in verschiedenen Entwicklungsstadien und Anwendungs-Reifegraden zielen teils auch auf die integrierte stoffliche Verwertung der Abwasser-Inhaltsstoffe, aber insbesondere der Energie-Optimierung mit dem Ziel der Energie-Autarkie der Kläranlagen. Die stoffliche Verwertung wird dabei aber auf die nachgeschaltete Elimination von Stickstoff (durch Nitrifikation und Denitrifikation und/oder Anammox-Verfahren) sowie Rückgewinnung als Dünger durch MAP-Fällung und Phosphor-Recycling (aus Klärschlammasche nach Verbrennung) beschränkt. Eine effektive Produktgewinnung aus allen Abwasser-Inhaltsstoffen ist damit nicht gegeben (State of the Art Compendium Report on Resource Recovery from Water.iwa resource recovery cluster, IWA the International Water Association, February 1, 2016. http://www.iwa-network.org/publications/state-of-the-art-compendium-report-on-resource-recovery-from-water/), ZeroWasteWater short-cycling of wastewater resources for sustainable cities of the future. Willy Verstraete, UGent and Siegfried Vlaeminck UGent (2011) INTERNATIONAL JOURNAL OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT AND WORLD ECOLOGY 18(3). p.253-264 ).No comparable, effective, sustainable, innovative process is known in the literature that enables the optimization of biological wastewater treatment. All known approaches and process proposals, or in various stages of development and application maturity, also aim in part at the integrated material recycling of the wastewater ingredients, but in particular at energy optimization with the aim of energy self-sufficiency in the sewage treatment plants. The material recycling is limited to the subsequent elimination of nitrogen (through nitrification and denitrification and / or anammox process) and recovery as fertilizer through MAP precipitation and phosphor recycling (from sewage sludge ash after combustion). This means that there is no effective product recovery from all wastewater ingredients (State of the Art Compendium Report on Resource Recovery from Water.iwa resource recovery cluster, IWA the International Water Association, February 1, 2016. http: //www.iwa-network .org / publications / state-of-the-art-compendium-report-on-resource-recovery-from-water /), ZeroWasteWater short-cycling of wastewater resources for sustainable cities of the future. Willy Verstraete, UGent and Siegfried Vlaeminck UGent (2011) INTERNATIONAL JOURNAL OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT AND WORLD ECOLOGY 18 (3). p.253-264 ).

Zur Verbesserung der Stickstoff-Elimination durch Denitrifikation ist ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, DE 39 02 626 C2 , veröffentlicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Beschleunigung der Denitrifikationsphase und/oder der Vervollständigung der Phosphorrücklösung dem Belebungsbecken ab Beginn der anoxischen und/oder vor Beginn der Oxidationsphase wasserlösliche, organische Säuren oder deren Salze, vorzugsweise Essigsäure, dosiert zugegeben werden. Diese Verbindungen sollen den Kohlenstoffbedarf der Denitrifikanten als Elektronendonator decken, sie dienen nicht primär als C-Quelle für das Wachstum der Denitrifikanten.To improve nitrogen elimination through denitrification, a process for biological wastewater treatment is DE 39 02 626 C2 , published, which is characterized in that in order to accelerate the denitrification phase and / or the completion of the phosphorus redissolution, water-soluble organic acids or their salts, preferably acetic acid, are added to the activation tank from the beginning of the anoxic and / or before the start of the oxidation phase. These compounds are intended to meet the carbon needs of the denitrifiers as an electron donor; they do not primarily serve as a carbon source for the growth of the denitrifiers.

DE 37 32 896 A1 beschreibt ein Verfahren zur Eliminierung von Ammonium und Phosphat aus Abwasser und Prozesswasser, bei dem Magnesiumsalz und/oder Magnesiumoxid und gegebenenfalls Phosphat und/oder Phosphorsäure zugegeben werden. Das Salz MgNH₄PO₄ • 6 H₂O wird auskristallisiert und dann abgetrennt. Der Eliminierungsgrad des Ammoniums und des Phosphats kann dabei durch die Mengen der zugegebenen Stoffe eingestellt werden. Der pH-Wert wird auf einen Wert zwischen 7 und 10 eingestellt. Das Fällprodukt enthält für die Landwirtschaft wertvolle Nährstoffe. Es kann für Düngezwecke zur Verfügung gestellt werden. Damit bietet dieses Verfahren eine Möglichkeit, die nicht vom Belebtschlamm aufgenommenen und angereicherten Mengen an Stickstoff und Phosphor als Wertstoff zu gewinnen, was aber mit erheblichen Kosten durch Chemikalien zur pH-Einstellung und zur Fällung verbunden ist. DE 37 32 896 A1 describes a process for eliminating ammonium and phosphate from waste water and process water, in which magnesium salt and / or magnesium oxide and optionally phosphate and / or phosphoric acid are added. The salt MgNH ₄ PO ₄ • 6 H ₂ O is crystallized out and then separated off. The degree of elimination of ammonium and phosphate can be adjusted by the amounts of the added substances. The pH is adjusted to a value between 7 and 10. The felling product contains valuable nutrients for agriculture. It can be made available for fertilizing purposes. This method thus offers a possibility of recovering the amounts of nitrogen and phosphorus which have not been absorbed and enriched by the activated sludge, but this is associated with considerable costs due to chemicals for pH adjustment and precipitation.

In DE 38 33 039 C2 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Abwasser, das Phosphat und Stickstoffverbindungen enthält, beschrieben, bei dem unter biologischer Elimination von Phosphor und Stickstoffverbindungen durch Nitrifikation/ Denitrifikation, aus dem Abwasser eine Biomasse mit hohem Phosphorgehalt erzeugt wird, die entstandene Biomasse abgetrennt wird, die abgetrennte Biomasse einem anaeroben Faulungsprozess unterworfen wird, wobei ein Phosphat- und Ammoniumionen haltiges Filtrat erhalten wird, aus dem Ammonium und Phosphat als Magnesium-Ammonium-Phosphat ausgefällt und der ausgefällte Feststoff von der wässrigen Phase abgetrennt wird. Diese Erfindung betrifft also ein klassisches biologisches Abwasserreinigungsverfahren mit Nitrifikation und Denitrifikation sowie biologischer Phosphorelimination, welche die Speicherfähigkeit von Bakterien für Phosphat unter hohem Phosphor-Angebot ausnutzt. Dabei wird Phosphat aber im Faulungsprozess wieder rückgelöst und muss nun durch ein teures Fällverfahren eliminiert werden. Dieser Prozess zur Gewinnung von Dünger kann jedoch effektiver gestaltet werden als die Stickstoff- und Phosphor-Elimination nach dem Verfahren von DE 37 32 896 A1 , weil die Konzentrationen des Stickstoffs und des Phosphors im Faulwasser durch die Konzentrierung der Biomasse wesentlich höher sind als im Abwasser.In DE 38 33 039 C2 describes a method and a device for the purification of waste water, which contains phosphate and nitrogen compounds, in which, with biological elimination of phosphorus and nitrogen compounds by nitrification / denitrification, from the waste water a biomass with a high phosphorus content is produced, the resulting biomass is separated off, the separated biomass is subjected to an anaerobic digestion process, whereby a filtrate containing phosphate and ammonium ions is obtained, from which ammonium and phosphate is precipitated as magnesium-ammonium-phosphate and the precipitated solid is separated from the aqueous phase. This invention thus relates to a classic biological wastewater treatment process with nitrification and denitrification and biological phosphorus elimination, which uses the storage capacity of bacteria for phosphate with a high phosphorus supply. However, phosphate is redissolved in the digestion process and must now be eliminated by an expensive precipitation process. However, this process for obtaining fertilizer can be made more effective than nitrogen and phosphorus elimination by the method of DE 37 32 896 A1 , because the concentrations of nitrogen and phosphorus in the fermentation water are much higher than in the wastewater due to the concentration of the biomass.

EP 0 899 241 A1 schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Phosphoreliminierung aus Abwässern vor. Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Abwasser nach dem Belebtschlamm-Verfahren und insbesondere eine Vorrichtung zur Gewinnung von Auswaschwasser, welches an Carbonsäuren angereichert ist, als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Erfindungsgemäß wird in einer Vorklärung abgetrennter Primärschlamm in einer gesonderten Fermentationsanlage fermentiert. Der fermentierte Primärschlamm ist reich an Carbonsäuren, welche nach Auswaschen und Abtrennen des fermentierten Primärschlamms in Form eines an Carbonsäuren angereicherten Auswaschwassers gewonnen werden. Das an Carbonsäuren angereicherte Auswaschwasser kann der anaeroben Stufe eines Belebungsbeckens als Elektronendonator für die Denitrifikation zugesetzt werden, wo die Carbonsäuren als Nahrungs- und Energiequelle für Mikroorganismen dienen, welche Phosphor aus dem Abwasser entfernen. In Kläranlagen, welche sich des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedienen, kann so ein Großteil des Phosphors auf biologischem Wege aus dem Abwasser entfernt werden.
Dieses Auswaschwasser besitzt jedoch ebenfalls einen hohen Gehalt an Ammonium und Phosphat, sodass damit die Ammoniumbelastung der Nitrifikation erhöht und die Phosphorelimination durch den Belebtschlamm zusätzlich beansprucht wird. Eine vollständige Phosphatelimination ist damit nicht möglich. EP 0 899 241 A1 proposes a method and a device for biological phosphorus elimination from waste water. This invention relates to a method and a device for purifying waste water according to the activated sludge process and in particular to a device for the extraction of wash-out water which is enriched in carboxylic acids as part of the device according to the invention.
According to the invention, primary sludge separated in a preliminary clarification is fermented in a separate fermentation plant. The fermented primary sludge is rich in carboxylic acids, which are obtained after washing out and separating the fermented primary sludge in the form of a washout water enriched with carboxylic acids. The washout water enriched in carboxylic acids can be added to the anaerobic stage of an aeration tank as an electron donor for denitrification, where the carboxylic acids serve as a food and energy source for microorganisms which remove phosphorus from the waste water. In sewage treatment plants that use the method and the device according to the invention, a large part of the phosphorus can be removed from the wastewater in a biological manner.
However, this wash-out water also has a high content of ammonium and phosphate, so that the ammonium pollution of the nitrification is increased and the phosphorus elimination by the activated sludge is additionally stressed. Complete phosphate elimination is therefore not possible.

Daher bietet das erfindungsgemäße Verfahren zur Ressourcenoptimierung der Biologischen Abwasserreinigung wesentliche Vorteile und somit Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, indem sowohl eine weitgehende Elimination der Abwasserinhaltsstoffe gelingt bei gleichzeitig optimaler Nutzung der Ressourcen des Abwassers über deren Anreicherung durch Organismen und Konversion zu Biomasse, aus der organische Wertstoffe, mineralische Düngerstoffe und Methan als Chemie- und Energierohstoff effizient und nachhaltig gewonnen werden können.Therefore, the method according to the invention for resource optimization of biological wastewater treatment offers significant advantages and thus improvements over the prior art, in that both extensive elimination of the wastewater constituents succeeds with optimal use of the wastewater resources through their accumulation by organisms and conversion to biomass from the organic Recyclable materials, mineral fertilizers and methane can be obtained efficiently and sustainably as chemical and energy raw materials.

Das Verfahren wird anhand der Figuren an Beispielen näher erläutert:The method is explained in more detail using examples using the figures:

1 zeigt das Verfahren für eine aerobe Abwasserreinigung, bei der die notwendige Menge an Kohlenstoff zur Deckung des Kohlenstoff-Defizits für optimales Biomasse-Wachstum in Form von im Wesentlichen Kohlenstoff enthaltendem organisch hoch belasteten Prozessabwasser gem. Anspruch 2 zugeführt wird. Bei Kenntnis der Zusammensetzung des Abwassers und des Prozessabwassers ist es möglich, das Prozessabwasser so mit dem Abwasser zu mischen, dass jederzeit das optimale Verhältnis von C:N:P im Mischabwasser gewährleistet wird, bei dem die höchste Ausbeute an Biomasse und gleichzeitig die weitestgehende Elimination von C, N und P aus dem Abwasser erreicht wird. 1 shows the process for an aerobic wastewater treatment, in which the necessary amount of carbon to cover the carbon deficit for optimal biomass growth in the form of essentially carbon-containing organically highly contaminated process wastewater acc. Claim 2 is supplied. Knowing the composition of the wastewater and the process wastewater, it is possible to mix the process wastewater with the wastewater in such a way that the optimal ratio of C: N: P in the mixed wastewater is guaranteed at all times, with the highest yield of biomass and at the same time the greatest possible elimination of C, N and P is reached from the wastewater.

2 stellt das Fließbild des Verfahrens für eine aerobe Abwasserreinigung dar, gekoppelt mit der Gewinnung der im Wesentlichen Kohlenstoff enthaltenden Lösung durch Aufarbeitung von Bioreststoff, z. B. Fermentationsrückstand (Pilzmyzel) der Zitronensäure-Produktion gem. Anspruch 4. 2nd represents the flow diagram of the process for an aerobic wastewater treatment, coupled with the recovery of the essentially carbon-containing solution by working up bio-residual material, e.g. B. fermentation residue (fungal mycelium) of citric acid production acc. Claim 4.

3 gibt das Verfahren gem. Anspruch 6 wieder, wenn zur Gewinnung der i. W. Kohlenstoff enthaltenden Lösung nur die durch optimales Wachstum aus dem Abwasser und der Lösung erzeugte aerobe Biomasse verwendet wird. 3rd gives the procedure acc. Claim 6 again if to obtain the i. W. carbon-containing solution only the aerobic biomass generated by optimal growth from the wastewater and the solution is used.

Mit 4 wird ein Beispiel illustriert, das die Anwendung des Verfahrens für den Fall beleuchtet, dass nicht der Kohlenstoff, sondern Stickstoff oder Phosphor das optimale Wachstum der Bakterien bei der aeroben Abwasserreinigung limitiert, was durch Rückführung der separierten Fraktion von Stickstoff bzw. Phosphor gemäß Anspruch 6 behoben werden kann.With 4th an example is illustrated which illuminates the application of the method in the event that not the carbon, but nitrogen or phosphorus limits the optimal growth of the bacteria in the aerobic wastewater treatment, which is remedied by recycling the separated fraction of nitrogen or phosphorus according to claim 6 can be.

5 beleuchtet ein Beispiel des Verfahrens mit einer anaeroben Abwasserreinigung, gekoppelt mit der Aufarbeitung von Biomasse zur Deckung des Kohlenstoffdefizits im Abwasser und mit Biogas-Produktion aus Abwasser und Biomasse (Ansprüche 1 und 4). 5 illuminates an example of the process with anaerobic wastewater treatment, coupled with the processing of biomass to cover the carbon deficit in wastewater and with biogas production from wastewater and biomass (claims 1 and 4).

6 zeigt das gleiche Beispiel wie in 5, hier jedoch mit der Produktion von Wertstoffen (z.B. Hydrolysat zur Gewinnung von Aminosäuren) aus dem Proteinanteil der externen Biomasse und der Überschuss-Biomasse der anaeroben Fermentation. 6 shows the same example as in 5 , but here with the production of valuable substances (eg hydrolyzate for the extraction of amino acids) from the protein portion of the external biomass and the excess biomass from the anaerobic fermentation.

In 7 ist das Verfahren in Verbindung mit einer Algenproduktion aus dem Abwasser gem. Anspruch 9 und Anspruch 11 dargestellt.In 7 is the process in connection with an algae production from the wastewater acc. Claim 9 and claim 11 shown.

8 ist eine Ausführung mit Algenproduktion, jedoch in Verbindung mit einer anaeroben Fermentation zur Reinigung eines Industrieabwassers mit hohem C-Überschuss, der jedoch allein nicht für eine anaerobe Reinigung ausreicht, und verbunden mit der Umwandlung des Kohlendioxids in Algenbiomasse und über deren Aufarbeitung in Methan (Ansprüche 10 und 11). 8th is a version with algae production, but in connection with anaerobic fermentation for the purification of industrial wastewater with a high C-excess, which however is not sufficient for anaerobic purification alone, and connected with the conversion of the carbon dioxide into algae biomass and its processing into methane (claims 10 and 11).

Die grundlegenden Zusammenhänge für die Anwendung des Verfahrens in der Praxis stellt die elementare Zusammensetzung der Mikroorganismen dar, die ihren Stoffwechsel durch Metabolisierung der Abwasserinhaltsstoffe betreiben können. Für diese Mikroorganismen stellen die Inhaltsstoffe Energiequellen und Kohlenstoffquellen dar. Die Substanzen (Substrat) werden im Stoffwechsel (Katabolismus) abgebaut. Die Abbauprodukte dienen der Zelle dann zur Gewinnung von Energie in Form von ATP, das die Energie zur Synthese von Zellbausteinen (Anabolismus) liefert. Dabei haben Zellen zwei Möglichkeiten zur Energiegewinnung: Aerobier gewinnen Energie durch Oxidation von Reduktionsäquivalenten (Zwischenprodukte des Katabolismus) mit Sauerstoff, also durch Atmung, Anaerobier durch Gärung. Da der Energiegewinn bei der Gärung, bezogen auf die Masse der Energiequelle, sehr viel geringer ist als bei der Atmung, haben Anaerobier einen geringeren Zellertrag (kg Zellzuwachs je kg Substrat).The basic relationships for the application of the method in practice is represented by the elementary composition of the microorganisms that can metabolize by metabolizing the waste water constituents. For these microorganisms, the ingredients represent energy sources and carbon sources. The substances (substrate) are metabolized ( Catabolism). The degradation products then serve the cell to generate energy in the form of ATP, which supplies the energy for the synthesis of cell building blocks (anabolism). Cells have two options for generating energy: aerobes gain energy by oxidizing reduction equivalents (intermediate products of catabolism) with oxygen, i.e. by breathing, anaerobes by fermentation. Since the energy gain in fermentation, based on the mass of the energy source, is much lower than in breathing, anaerobes have a lower cell yield (kg cell growth per kg substrate).

So beträgt der Ertrag von Aerobiern, beispielsweise bei Zucker als Substrat, 50 bis 70 % (kg Zelltrockenmasse, BTM, je 100 kg Substrat), während er bei der Gärung nur 5 bis 10 % erreicht. Das heißt aber auch, dass Gärer viel mehr Substrat umsetzten müssen, um 1 kg BTM zu bilden, nämlich 10 bis 20 kg Substrat je kg neu gebildeter BTM, während Aerobier dafür nur 2 bis 1,4 kg Substrat brauchen.The yield of aerobes, for example with sugar as the substrate, is 50 to 70% (kg dry cell mass, BTM, per 100 kg substrate), while it only reaches 5 to 10% during fermentation. However, this also means that fermenters have to convert a lot more substrate to form 1 kg BTM, namely 10 to 20 kg substrate per kg newly formed BTM, while aerobes only need 2 to 1.4 kg substrate.

Das sind also die Gründe, warum bei der aeroben Biologischen Abwasserreinigung mehr Biomasse in Form von Überschussschlamm oder Sekundärschlamm anfällt als bei der anaeroben Abwasserreinigung.So these are the reasons why aerobic biological wastewater treatment produces more biomass in the form of excess sludge or secondary sludge than anaerobic wastewater treatment.

Bei der anaeroben Abwasserreinigung sowie dem anaeroben Abbau von Biomasse und Bioreststoffen entstehen dafür Gärprodukte in verschiedenen Kategorien, abhängig von den am Abbau beteiligten Bakteriengruppen, z. B. Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Phenylessigsäure (als Abbauprodukt der Aminosäure Phenylalanin), Alkohole, Wasserstoff und Kohlendioxid, aber auch Methan als Endprodukt des vollständigen anaeroben Abbaus bei der Biogasfermentation.In anaerobic wastewater treatment and anaerobic degradation of biomass and bio residues, fermentation products are created in different categories, depending on the groups of bacteria involved in the degradation, e.g. B. acetic acid, propionic acid, butyric acid, phenylacetic acid (as a degradation product of the amino acid phenylalanine), alcohols, hydrogen and carbon dioxide, but also methane as the end product of complete anaerobic degradation in biogas fermentation.

Für das Zellwachstum benötigen Zellen aber nicht nur Kohlenstoff-Verbindungen, sondern auch solche, aus denen sie alle anderen Elemente als Nährstoffe gewinnen können, die sie für die Zellmasse-Synthese benötigen, wie Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kalzium, Magnesium, Eisen usw., d. h., sie haben „elementare“ Nährstoffansprüche, die sie bei der Abwasserreinigung nur mit den Abwasser-Inhaltsstoffen decken können, es sei denn, man führt sie den Zellen gezielt zu wie mit der Supplementierung bei industriellen Fermentationen oder in Labor-Kultivierungen, oder beispielsweise auch bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen durch Gabe von Spurenelementen.For cell growth, cells not only need carbon compounds, but also those from which they can obtain all the other elements as nutrients that they need for cell mass synthesis, such as nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium, iron, etc. , d. In other words, they have "elementary" nutrient requirements that they can only cover with the wastewater ingredients in wastewater treatment, unless they are specifically supplied to the cells as with supplementation in industrial fermentations or in laboratory cultivations, or for example also in agricultural biogas plants by adding trace elements.

Kennt man für eine Fermentation die „elementare Zusammensetzung“ der Zellen (das ist dabei in der Regel eine Reinkultur einer bestimmten Art eines Organismus' oder eines bestimmten Stammes einer Art, kann man die Zusammensetzung des Nährmediums so anpassen, dass sich die Zellen optimal vermehren können, also optimal wachsen. Dies geschieht aber meist so, dass man alle Nährsubstanzen im Überschuss zum „limitierenden Substrat“ bemisst, sodass das Wachstum - sowohl was den Zellertrag als auch die Wachstumsgeschwindigkeit betrifft, mit diesem „limitierenden Substrat“ steuert.
Bei der Biologischen Abwasserreinigung wäre diese Vorgehensweise jedoch viel zu aufwändig und unökonomisch, weil der Einsatz von Fermentationsmedien - meist Reinsubstanzen, oft komplexe Substrate - hohe Kosten verursachen würde.If you know the "elementary composition" of the cells for a fermentation (this is usually a pure culture of a certain type of organism or a certain strain of a kind, you can adjust the composition of the nutrient medium so that the cells can reproduce optimally However, this usually happens in such a way that all nutrients are measured in excess to the "limiting substrate" so that the growth - both in terms of cell yield and growth rate, controls with this "limiting substrate".
In biological wastewater treatment, however, this procedure would be far too complex and uneconomical, because the use of fermentation media - mostly pure substances, often complex substrates - would cause high costs.

In der Biologischen Abwasserreinigung handelt es sich bei den Kulturen auch nicht um Rein-, sondern um Mischkulturen, die sich abhängig von den Abwasserinhaltsstoffen (dem „Substratangebot“) selektiv im Belebungsbecken bzw. im Bioreaktor entwickeln. Man kann daher keine genaue elementare Zusammensetzung dieser Kulturen im Voraus angeben, aber man kann die Zusammensetzung analytisch bestimmen (Elementaranalyse der Biomasse).In biological wastewater treatment, the cultures are not pure, but rather mixed cultures that develop selectively in the aeration tank or in the bioreactor depending on the wastewater constituents (the "substrate range"). You cannot therefore give an exact elemental composition of these cultures in advance, but you can determine the composition analytically (elementary analysis of the biomass).

Ein Beispiel für die Untersuchung der Zusammensetzung von Reinkulturen des Bakteriums Bacillus subtilis und Angabe einer „Formel“ für die Zellmasse in Abhängigkeit vom Angebot der Kohlenstoffmenge im Substrat findet man in der Veröffentlichung von Dauner et al. im Journal of Bacteriology, Dez. 2001, S. 7308 -7317 (DOI: 10.1128/JB.183.24.7308-7317.2001). Dort findet man für N-limitierte Kultivierung die Formel C₁H_1,646O_0,41N_0,219P_0,019, woraus sich das Massenverhältnis von C/N/P als 40,4/10,2/2 berechnet. Bei dieser Kultivierungsvorschrift befinden sich also Kohlenstoff C und Phosphor P im Überschuss im Medium. Diese Zusammensetzung entspricht damit einer Betriebsweise, bei der mehr Kohlenstoff und Stickstoff im Medium ist, als die Zellen bei vollständiger Umsetzung des im Medium vorhandenen Stickstoffs brauchen. Das wäre zum Beispiel bei einem Abwasser mit der Zusammensetzung C/N/P = 100/10/3 der Fall, wobei der minimale Gehalt des Abwassers an Kohlenstoff (also für gleichzeitige Stickstoff- und Kohlenstoff-Limitierung) C = 80 betragen müsste, weil etwa 50 % des von den Zellen konsumierten Kohlenstoffs bei Aerobiern zur Energieproduktion zu CO₂ oxidiert und ca. 50 % in die Zellmasse eingebaut werden. Die minimale Bedarf aerober Zellen an Kohlstoff beträgt daher etwa das Doppelte des Kohlenstoffgehalts der Zellen.An example of the investigation of the composition of pure cultures of the bacterium Bacillus subtilis and specification of a “formula” for the cell mass depending on the amount of carbon in the substrate can be found in the publication of Dauner et al. in the Journal of Bacteriology, Dec. 2001, pp. 7308 -7317 (DOI: 10.1128 / JB.183.24.7308-7317.2001). For N-limited cultivation there is the formula C ₁ H _1.646 O _0.41 N _0.219 P _0.019 , from which the mass ratio of C / N / P is calculated as 40.4 / 10.2 / 2. With this cultivation regulation, there is therefore an excess of carbon C and phosphorus P in the medium. This composition thus corresponds to an operating mode in which there is more carbon and nitrogen in the medium than the cells need when the nitrogen present in the medium is fully converted. This would be the case, for example, with a wastewater with the composition C / N / P = 100/10/3, whereby the minimum carbon content of the wastewater (i.e. for simultaneous nitrogen and carbon limitation) should be C = 80 because About 50% of the carbon consumed by the cells in aerobes is oxidized to CO ₂ for energy production and about 50% is incorporated into the cell mass. The minimum requirement of aerobic cells for carbon is therefore approximately twice the carbon content of the cells.

Die Übertragung des Erfindungsgedankens gemäß Anspruch 1 auf ein praktisches Beispiel in Verbindung mit Anspruch 2 ist in der 1 im Blockfließbild des Verfahrens dargestellt. Es zeigt den Einsatz eines mit organischen Kohlenstoff-Verbindungen belastetes Prozessabwasser zur Anpassung des Kohlenstoffgehalts im Abwasser für optimales Wachstum einer Bakterien-Mischkultur, in deren Zellmasse die drei Elemente C, N und P im Verhältnis C/N/P = 40/10/2 vorliegen. Für diese Kultur müsste also das Medium ein Masseverhältnis von C/N/P = 80/10/2 aufweisen. Das im Abwasser des Beispiels gemessene Verhältnis beträgt aber C/N/P = 50/10/2, so dass also eine beträchtliche C-Limitierung auftritt, wenn man das Abwasser in einer konventionellen Belebungsstufe einer Kläranlage reinigt. Diese Limitierung führt dazu, dass der gebildete Überschussschlamm eine Zusammensetzung mit C/N/P = 25/6,25/1,25 hat, wobei der P-Anteil bei intensivierter Betriebsweise im Sinne der Biologischen Phosphor-Elimination durch Einlagerung von Polyphosphaten als P-Speicher in den Zellen höher sein kann. Es ist jedoch eindeutig ein N-Überschuss mit einem Anteil von N = 3,75 vorhanden, der für eine vollständige Abwasserreinigung mit N-Elimination unter Einleitgrenzwerte bisher nur durch Nitrifikation und Denitrifikation möglich ist.The transfer of the inventive idea according to claim 1 to a practical example in connection with claim 2 is in the 1 shown in the block flow diagram of the process. It shows the use of process wastewater contaminated with organic carbon compounds to adjust the carbon content in the wastewater for optimal growth of a mixed bacterial culture, in the cell mass of which the three elements C, N and P in the ratio C / N / P = 40/10/2 are available. For this culture the medium has a mass ratio of C / N / P = 80/10/2. However, the ratio measured in the wastewater of the example is C / N / P = 50/10/2, so that there is a considerable C limitation when the wastewater is treated in a conventional activation stage of a sewage treatment plant. This limitation leads to the fact that the excess sludge formed has a composition with C / N / P = 25 / 6.25 / 1.25, the P content being intensified in the sense of biological phosphorus elimination by incorporating polyphosphates as P Memory may be higher in the cells. However, there is clearly an N excess with a proportion of N = 3.75, which has so far been possible only for nitrification and denitrification for complete wastewater treatment with N elimination below discharge limits.

Stockt man jedoch den Kohlenstoffgehalt des Abwasser gemäß Anspruch 1 der Anmeldung durch Zumischung des Prozessabwassers (Anspruch 2), das im Beispiel ein Verhältnis C/N/P = 30/0/0 aufweist, auf, stellt sich nach der Mischung das für die betrachtete Kultur optimale Verhältnis C/N/P = 80/10/2 ein, woraus eine Zellmasse mit C/N/P = 40/10/2 als Überschussschlamm gebildet und bei optimaler Betriebsweise des Fermenters (Belebungsbecken), z. B. durch Kaskadierung, eine nahezu vollständige Eliminierung der Abwasser-Inhaltsstoffe auf ein Verhältnis von C/N/P = 0/0/0 erzielt wird.However, if one increases the carbon content of the waste water according to claim 1 of the application by admixing the process waste water (claim 2), which in the example has a ratio of C / N / P = 30/0/0, this results after the mixing for the considered Culture optimal ratio C / N / P = 80/10/2, from which a cell mass with C / N / P = 40/10/2 is formed as excess sludge and with optimal operation of the fermenter (aeration tank), e.g. B. by cascading, an almost complete elimination of the wastewater ingredients to a ratio of C / N / P = 0/0/0 is achieved.

Welche Konsequenzen bedeutet dies für die Menge an Prozessabwasser, die dosiert werden muss, und wie stellt sich der Zuwachs an Zellmasse (Überschussschlamm) dar?What are the consequences for the amount of process wastewater that has to be dosed, and what is the increase in cell mass (excess sludge)?

Im Beispiel von 1 betragen die Konzentrationen von C, N und P jeweils 200, 40 und 8 g/m³ bei einer Abwassermenge von 250 m³/h, dies entspricht einer kommunalen Kläranlage mit einem Einwohnerwert von 24.000 EW (50 g TOC/d/EW). Die 50 kg/h Kohlenstoff im Abwasser müssen also um 30 kg/h ergänzt werden, damit dem Belebtschlamm 80 kg/h Kohlenstoff zugeführt werden kann, aus dem die Bakterien dann mit 10 kg/h Stickstoff und 2 kg/h Phosphor neue Zellmasse mit 40 kg/h Kohlenstoff, 10 kg/h Stickstoff und 2 kg/h Phosphor in der BTM als Überschussschlamm bilden, wobei sie 40 kg/h an C zu CO₂ oxidieren und gasförmig in dem Belüftungsabgas in die Atmosphäre emittieren.In the example of 1 the concentrations of C, N and P are each 200, 40 and 8 g / m ³ with a waste water volume of 250 m ³ / h, this corresponds to a municipal sewage treatment plant with a population of 24,000 PE (50 g TOC / d / PE). The 50 kg / h of carbon in the wastewater must therefore be supplemented by 30 kg / h so that 80 kg / h of carbon can be added to the activated sludge, from which the bacteria can then add new cell mass with 10 kg / h of nitrogen and 2 kg / h of phosphorus Form 40 kg / h of carbon, 10 kg / h of nitrogen and 2 kg / h of phosphorus in the BTM as excess sludge, whereby they oxidize 40 kg / h of C to CO ₂ and emit them into the atmosphere in the ventilation exhaust gas.

Das Prozessabwasser ist der Rückstand aus einer Polyesterproduktion eines nahe gelegenen Chemiestandorts, das einen Kohlenstoffgehalt von 20 kg/m³ TOC aufweist und nur einfache, biologisch gut abbaubare organische Verbindungen (Ameisensäure, Essigsäure, Methanol, Methylformiat, Formaldehyd, Diethylenglycol) mit einem CSB von ca. 50 kg/m³ enthält.The process wastewater is the residue from a polyester production at a nearby chemical site, which has a carbon content of 20 kg / m ³ TOC and only simple, readily biodegradable organic compounds (formic acid, acetic acid, methanol, methyl formate, formaldehyde, diethylene glycol) with a COD of contains approx. 50 kg / m ³ .

Von diesem Prozessabwasser werden zur Deckung des Kohlenstoff-Defizits von 30 kg/h also 1,5 m³/h benötigt. Das Prozessabwasser fällt in der Produktion in einer Menge von 48 m³/d an. Damit können also 36 m³/d zur Deckung des Defizits dem Abwasser zugeführt und die restlichen 12 m³/d bzw. 0,5 m³/h direkt im Biogas-Methanfermenter zu Biogas vergoren werden, denn die Inhaltsstoffe eignen sich auch hervorragend als Substrat für Methanbakterien.This process waste water requires 1.5 m ³ / h to cover the carbon deficit of 30 kg / h. The process wastewater is produced in an amount of 48 m ³ / d. This means that 36 m ³ / d can be fed to the wastewater to cover the deficit and the remaining 12 m ³ / d or 0.5 m ³ / h can be fermented to biogas directly in the biogas methane fermenter, because the ingredients are also ideal as Substrate for methane bacteria.

Nach Aufarbeitung des Überschussschlamms mit Versäuerung und Separation des Stickstoffs und Phosphors sowie weiterer Mineralstoffe, z. B. mittels lonenaustausch wird in der Methanfermentation aus der Säurelösung und dem Prozesswasserüberschuss Biogas gewonnen entsprechend einer Menge von 50 kg/h C. Dies entspricht einer Biogaserzeugung von knapp 94 m³/h an Biogas, wovon etwa 54 m³/h Methan (57 %) und ca. 40 m³/h Kohlendioxid betreffen.After working up the excess sludge with acidification and separation of the nitrogen and phosphorus and other minerals, e.g. B. By means of ion exchange, biogas is obtained in the methane fermentation from the acid solution and the excess process water in a quantity of 50 kg / h C. This corresponds to a biogas production of almost 94 m ³ / h of biogas, of which about 54 m ³ / h methane (57 %) and about 40 m ³ / h carbon dioxide.

Das Prozessabwasser aus dem Biogas-Methanfermenter kann in das Belebungsbecken eingeleitet werden, wo ggf. noch in geringer Menge vorhandene organische Reststoffe von der Biologie abgebaut werden.The process wastewater from the biogas methane fermenter can be fed into the aeration tank, where small amounts of organic residues that may still be present are broken down by the biology.

Als zweites Beispiel ist das Verfahren gemäß Anspruch 1 mit einer Kohlenstoffquelle aus Biomasse gemäß Anspruch 3 und Anspruch 4 in 2 dargestellt.As a second example, the method according to claim 1 with a carbon source from biomass according to claim 3 and claim 4 is in 2nd shown.

In diesem Beispiel besteht die feststoffhaltige Biomasse aus dem Rückstand einer Fermentation, zum Beispiel zur biotechnischen Vitamin- oder Aminosäure-Produktion, oder aus Überschusshefe einer Bierbrauerei. Eine solche Hefe stellt eine proteinreiche Biomasse dar, die von kleineren Brauereien an Landwirte als Viehfutter abgegeben wird. In großen Brauereien ist sie jedoch ein Produktionsrückstand, der entsorgt werden muss, wenn er nicht in der Brauerei zur Biogas-Erzeugung eingesetzt werden kann.In this example, the biomass containing solids consists of the residue from a fermentation, for example for biotechnological vitamin or amino acid production, or from surplus yeast from a brewery. Such a yeast represents a protein-rich biomass, which is given to farmers by small breweries as animal feed. In large breweries, however, it is a production residue that must be disposed of if it cannot be used in the brewery to produce biogas.

Im Beispiel 2 wird die Überschusshefe einer nahe gelegenen Brauerei zur Aufstockung des Kohlenstoffgehalts des Abwassers genutzt, das Anteile sowohl häuslichen als auch industriellen Abwassers (unter anderem aus der Brauerei) aufweist. Die Konzentrationen betragen 300 g/m³ TOC, 750 g/m³ CSB, 50 g/m³ Gesamtstickstoff und 10 g/m³ Gesamtphosphor. Die Abwassermenge beträgt im Mittel 4.800 m³/d.In example 2, the surplus yeast from a nearby brewery is used to increase the carbon content of the wastewater, which has proportions of both domestic and industrial wastewater (including from the brewery). The concentrations are 300 g / m ³ TOC, 750 g / m ³ COD, 50 g / m ³ total nitrogen and 10 g / m ³ total phosphorus. The average wastewater volume is 4,800 m ³ / d.

Um nun bei diesem Abwasser auf das optimale Verhältnis C/N/P von 80/10/2 zu kommen, werden 20 kg/h Kohlenstoff benötigt. Die Überschusshefe aus der Brauerei besitzt einen Kohlenstoffgehalt von 50 %, Stickstoff mit 10 % und Phosphor mit 2 %, jeweils bezogen auf die Trockensubstanz (TS). Sie fällt als Gelägerhefe mit ca. 20 % TS an. Das bedeutet, dass von dieser Hefe 20 kg/h Kohlenstoff eingesetzt werden müssen zur Aufstockung des Abwassers. Die Hefe enthält ca. 10 % Kohlenstoff, also 100 g/kg. Damit werden mindestens 200 kg/h an Hefe benötigt. Pro hl Verkaufsbier fallen etwa 2,6 kg Abfallhefe an mit ca. 20 % Hefe-TS. Die Brauerei erzeugt pro Jahr 1,4 Mio hl Verkaufsbier, sodass die jährliche Menge der Abfallhefe im Durchschnitt die Aufstockung des Abwasser-Kohlenstoffs decken kann. Somit stellt die Koppelung der Abwasserreinigung mit der Nutzung der Abfallhefe als zusätzliche C-Quelle eine echte Symbiose im Sinne der Ressourceneffizienz dar.In order to achieve the optimal C / N / P ratio of 80/10/2 for this wastewater, 20 kg / h of carbon are required. The surplus yeast from the brewery has a carbon content of 50%, nitrogen with 10% and phosphorus with 2%, each based on the dry matter (TS). they is obtained as a yeast with approx. 20% DM. This means that 20 kg / h of carbon must be used to replenish the wastewater. The yeast contains approx. 10% carbon, i.e. 100 g / kg. This requires at least 200 kg / h of yeast. There are about 2.6 kg of waste yeast per hl of sales beer with about 20% yeast dry matter. The brewery produces 1.4 million hl of sales beer per year, so that the annual amount of waste yeast can cover the build-up of waste water carbon on average. The coupling of wastewater treatment with the use of waste yeast as an additional C source represents a real symbiosis in terms of resource efficiency.

Da nun aber die Hefebiomasse neben Kohlenstoff auch beträchtliche Mengen an Stickstoff und Phosphor enthält, muss sie aufgearbeitet werden, um mindestens eine Fraktion einer Lösung zu gewinnen, die i. W. nur Kohlenstoff enthält. In dieser Aufarbeitung kann aber auch der Überschuss-Schlamm der Kläranlage genutzt werden, sodass der Kohlenstoff-Überschuss der Hefe zur Gewinnung von Biogas verwertet werden kann. Darüber hinaus können die in der Aufarbeitung vom Kohlenstoff separierten Fraktionen der Nährstoffe Stickstoff, Phosphor und weitere Mineralstoffe als Dünger gewonnen werden.
Die wässrige Phase, die bei der Aufarbeitung und Biogas-Fermentation aus Hefe und Sekundärschlamm entsteht, wird der Belebungsstufe der Kläranlage zugeführt, wobei die noch enthaltenen geringen Mengen an CSB auch noch abgebaut werden.However, since the yeast biomass now also contains considerable amounts of nitrogen and phosphorus in addition to carbon, it must be worked up in order to obtain at least one fraction of a solution which i. W. contains only carbon. In this treatment, the excess sludge from the sewage treatment plant can also be used, so that the carbon excess of the yeast can be used to produce biogas. In addition, the fractions of the nutrients nitrogen, phosphorus and other minerals separated from the carbon can be obtained as fertilizer.
The aqueous phase that arises from the processing and biogas fermentation from yeast and secondary sludge is fed to the activation stage of the sewage treatment plant, whereby the small amounts of COD still contained are also broken down.

Das dritte Beispiel gemäß 3 stellt einen möglichen Idealfall der Erfindung dar, der jedoch bei fachgerechter verfahrenstechnischer Umsetzung und vollkommener Separierung der Teil-Massenströme von Kohlenstoff-Verbindungen und Nährstoffkomponenten realisiert werden kann.The third example according to 3rd represents a possible ideal case of the invention, which, however, can be realized with professional procedural implementation and complete separation of the partial mass flows of carbon compounds and nutrient components.

In diesem Beispiel ist der Kohlenstoffanteil der Biomasse des Überschuss-Schlamms genau so groß wie der C-Anteil im Abwasser bei sonst idealem Verhältnis von C/N/P. Das bedeutet, dass das für das Wachstum der Biomasse notwendige optimale Verhältnis durch vollständige Rückführung des bei der Aufarbeitung des Überschuss-Schlamms in der Kohlenstoff haltigen Lösung anfallenden Kohlenstoffs gedeckt werden kann. Dies ist dann möglich, wenn die aerobe Biomasse im Belebungsbecken nur die Hälfte des aus dem Abwasser aufgenommenen Kohlenstoffs veratmet und als CO₂ emittiert.
Die bei der Aufarbeitung anfallenden Nährstoffe können aber auch hier als Nährstofflösung oder Dünger gewonnen werden, sodass auch diese Lösung ein ressourceneffizientes Verfahren darstellt.In this example, the carbon fraction of the biomass of the excess sludge is exactly as large as the C fraction in the wastewater with an otherwise ideal ratio of C / N / P. This means that the optimal ratio necessary for the growth of the biomass can be covered by the complete return of the carbon produced in the processing of the excess sludge in the carbon-containing solution. This is possible if the aerobic biomass in the aeration tank only breathes half of the carbon absorbed from the wastewater and emits it as CO ₂ .
The nutrients accumulated during processing can also be obtained here as a nutrient solution or fertilizer, so that this solution is also a resource-efficient process.

Am Beispiel 4 kann gezeigt werden, dass mit dem Verfahren auch der Fall nachhaltig und ressourceneffizient gelöst werden kann, bei dem nicht der Kohlenstoff, sondern der Stickstoff oder auch der Phosphor das Wachstum aerober Bakterien limitieren kann, wenn der Kohlenstoff sich im Überschuss im Abwasser befindet. In einem solchen Fall könnte zwar der Kohlenstoffabbau in den Bakterien durch Belüftung hin zu einer intensiveren Veratmung des Kohlenstoffs gesteuert werden, was aber zu vermehrter Produktion von Kohlendioxid und damit Emission von CO₂ in die Atmosphäre führen würde. Wird jedoch, wie im Beispiel von 4 gezeigt, der Überschuss beim Kohlenstoff (160 kg/h) durch recyceln von 5 kg/h Stickstoff und 1 kg/h Phosphor aus den in der Aufarbeitung des Überschuss-Schlamms separierten Nährstoffströmen kompensiert und auf das optimale Verhältnis C/N/P von 160/20/4 bzw. 80/10/2 aufgestockt, kann das Zellwachstum optimal erfolgen, wobei die Abwasser-Inhaltsstoffe unter weitgehender Elimination biologisch entfernt und in verwertbare Biomasse umgewandelt werden, aus der nun beispielsweise noch 15 kg/h Stickstoff und 3 kg/h Phosphor als Dünger gewonnen werden können.Using example 4, it can be shown that the method can also be used to solve the case in a sustainable and resource-efficient manner, in which not the carbon, but the nitrogen or the phosphorus can limit the growth of aerobic bacteria if the carbon is in excess in the wastewater . In such a case, the carbon breakdown in the bacteria could be controlled by ventilation to a more intensive respiration of the carbon, but this would lead to increased production of carbon dioxide and thus emission of CO ₂ into the atmosphere. However, as in the example of 4th demonstrated that the excess of carbon (160 kg / h) is compensated for by recycling 5 kg / h nitrogen and 1 kg / h phosphorus from the nutrient flows separated in the processing of the excess sludge and to the optimal ratio C / N / P of 160 / 20/4 or 80/10/2, cell growth can be optimal, whereby the wastewater ingredients are largely removed biologically and converted into usable biomass, from which, for example, 15 kg / h nitrogen and 3 kg / h phosphorus can be obtained as fertilizer.

Das nächste Beispiel (5) beschreibt die Anwendung des Verfahrens für ein Abwasser, das im C/N/P-Verhältnis einen Kohlenstoffüberschuss, gemessen am optimalen Verhältnis für aerobe Kulturen, aber für eine anaerobe Aufarbeitung einen Überschuss von Stickstoff und Phosphor aufweist. Für diesen Fall kann das Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 7 zum Einsatz kommen. Dafür wird die zum Aufstocken des C-Anteils im Abwasser benötigte, im Wesentlichen Kohlenstoff enthaltende Lösung durch Aufarbeiten eines organischen Reststoffs, z. B. von Treber aus einer Brauerei, gewonnen. Im Beispiel nach 5 kann so die im Abwasser zugeführte Menge Kohlenstoff von 200 kg/h mit 200 kg/h Kohlenstoff in der durch Aufarbeiten von Treber in einer Menge entsprechend 160 kg/h Kohlenstoff und der in einer anaeroben Fermentation als Zellzuwachs möglichen Menge Überschuss-Biomasse mit 40 kg/h Kohlenstoff auf den dem optimalen C/N/P-Verhältnis notwendigen Mengenstrom von 400/10/2 kg/h aufgestockt werden. Daraus entstehen unter optimalen Betriebsbedingungen der anaeroben Fermentation (bevorzugt zweistufig und mit Biomasserückhalt durch Membranfiltration, zum Beispiel in einem Membran-Bioreaktor) neue anaerobe Biomasse (C/N/P ähnlich wie bei aeroben Bakterien mit 40/10/2 kg/h) sowie Biogas mit ca. 349 kg/h Kohlenstoff entsprechend einem Gasvolumenstrom von etwa 640 m³/h. Ein Rest von 11 kg/h Kohlenstoff wäre in diesem Fall noch in Form gelöster organischer Verbindungen im Abwasser des Biogasfermenters entsprechend einer angenommenen Abbauleistung der anaeroben Stufe von 97 %.The next example ( 5 ) describes the application of the process for a wastewater that has a carbon excess in the C / N / P ratio, measured at the optimal ratio for aerobic cultures, but has an excess of nitrogen and phosphorus for anaerobic processing. In this case, the method according to claims 1 and 7 can be used. For this purpose, the essentially carbon-containing solution required to replenish the C component in the wastewater is worked up by working up an organic residue, e.g. B. from grains from a brewery. In the example after 5 can thus the amount of carbon supplied in the wastewater of 200 kg / h with 200 kg / h carbon in the amount of excess biomass with 40 kg, which is possible by working up spent grains in an amount corresponding to 160 kg / h carbon and in an anaerobic fermentation as cell growth / h of carbon can be increased to the flow rate of 400/10/2 kg / h necessary for the optimal C / N / P ratio. This creates new anaerobic biomass (C / N / P similar to aerobic bacteria with 40/10/2 kg / h) and under optimal operating conditions of anaerobic fermentation (preferably two-stage and with biomass retention by membrane filtration, for example in a membrane bioreactor) Biogas with approx. 349 kg / h carbon corresponding to a gas volume flow of approx. 640 m ³ / h. In this case, a residue of 11 kg / h of carbon would still be in the form of dissolved organic compounds in the wastewater of the biogas fermenter, corresponding to an assumed decomposition rate of the anaerobic stage of 97%.

Neben Biogas kann in diesem Beispiel aber auch Mineraldünger mit 62 kg/h Stickstoff und 8 kg/h Phosphor durch Aufarbeitung von Bioreststoff Treber und Überschuss-Schlamm der Anaerobstufe erzeugt werden.In addition to biogas, mineral fertilizers with 62 kg / h nitrogen and 8 kg / h phosphorus can also be used in this example by working up biorebrue and excess sludge from the anaerobic stage.

6 erweitert das Beispiel in 5 um die besondere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 8. In der dargestellten Bilanz wird gezeigt, wie mit einer größeren Menge Bioreststoff, wie beispielsweise Treber aus einer Brauerei, sowohl der Kohlenstoffgehalt des Abwassers aufgestockt, aber auch aus dem Proteinanteil der Biomasse (Reststoff und Überschuss-Schlamm!) durch Hydrolyse, katalysiert zum Beispiel mit proteolytischen Enzymen, eine hochwertige Nährstofflösung mit Aminosäuren und Peptiden gewonnen werden kann, die als Nährlösung in Fermentationen, zur Nahrungsergänzung oder als organischer Flüssigdünger zur Kultivierung von Pflanzen vermarktet werden kann. 6 extends the example in 5 the special design of the method according to claim 8. The balance shown shows how, with a larger amount of organic residues, such as spent grain from a brewery, both the carbon content of the waste water is increased, but also from the protein content of the biomass (residual and excess Sludge!) By hydrolysis, catalyzed, for example, with proteolytic enzymes, a high-quality nutrient solution with amino acids and peptides can be obtained, which can be marketed as a nutrient solution in fermentations, for nutritional supplements or as an organic liquid fertilizer for the cultivation of plants.

Mit dem Beispiel in 7 wird schließlich noch eine Variante des Verfahrens offenbart, die gemäß Anspruch 9 das Nährstoffverhältnis im Abwasser durch Kultivierung von Algen, die in einem der aeroben Stufe der Abwasserreinigung vorgeschalteten Photobioreaktor mit der Energie der Sonnenstrahlung aus den Nährstoffen im Abwasser und dem bei der aeroben Oxidation der organischen Abwasserinhaltsstoffe erzeugten Kohlendioxid kultiviert werden. Dabei kann beispielsweise der Stickstoffgehalt des Abwasser von 20 kg/h und der Phosphorgehalt von 4 kg/h auf die dem für aerobe Bakterien optimale Menge von 10 kg/h N bzw. 2 kg/h P gesenkt werden, wobei sich die Kohlenstoffmenge nicht ändert, weil die (meisten) Algenarten photo-autotroph sind und ihren Kohlenstoffbedarf für die Vermehrung aus dem Abgas des Aerobfermenters mit dem darin enthaltenen Kohlendioxid decken. Der Netto-Zuwachs an Algenbiomasse wird aus dem Ablauf des Photobioreaktors separiert und der Aufarbeitung zugeführt, in der auch der Überschuss-Schlamm der Aerobstufe aufgearbeitet und in die jeweils C-, N- und P-haltigen Lösungen separiert wird.With the example in 7 Finally, a variant of the method is disclosed, which according to claim 9, the nutrient ratio in the wastewater by cultivating algae, the photobioreactor upstream of the aerobic stage of wastewater treatment with the energy of the sun's radiation from the nutrients in the wastewater and the aerobic oxidation of the organic Waste water ingredients produced carbon dioxide can be cultivated. For example, the nitrogen content of the wastewater can be reduced from 20 kg / h and the phosphorus content from 4 kg / h to the optimum amount of 10 kg / h N or 2 kg / h P for aerobic bacteria, whereby the amount of carbon does not change , because the (most) algae species are photo-autotrophic and cover their carbon requirements for the reproduction from the exhaust gas of the aerobic fermenter with the carbon dioxide contained therein. The net increase in algae biomass is separated from the run-off of the photobioreactor and processed, in which the excess sludge from the aerobic stage is also processed and separated into the C, N and P-containing solutions.

In diesem Beispiel ist nun eine Aufstockung des Abwassers mit im Wesentlichen C-haltiger Lösung nicht notwendig, weil seine Zusammensetzung nach dem Photobioreaktor schon optimal für die aerobe Fermentation ist. Somit können die C-haltige Lösung komplett zur Gewinnung von Biogas bzw. Biomethan genutzt und die N- und P-haltigen Lösungen zu Dünger verarbeitet werden.In this example, an increase in the wastewater with essentially C-containing solution is not necessary because its composition after the photobioreactor is already optimal for aerobic fermentation. This means that the C-containing solution can be used completely to produce biogas or biomethane, and the N- and P-containing solutions can be processed into fertilizer.

Bei dieser Verfahrensvariante wäre aber auch eine Kombination möglich, in der aus der Algenbiomasse (genauer: aus ihrem Proteinanteil) durch Hydrolyse eine Wertstoff-Fraktion als Nährstoff- bzw. Aminosäure-Lösung gemäß Anspruch 7 erzeugt wird.In this variant of the method, however, a combination would also be possible in which a valuable fraction as a nutrient or amino acid solution is produced from the algal biomass (more precisely: from its protein content) by hydrolysis.

In 8 ist das Verfahren gemäß Anspruch 10 mit einem Beispiel dargestellt, bei dem eine Kombination mit dem Verfahren gemäß der Anmeldung DE 10 2017 000 576 realisiert wird. Diese Verfahrenskombination erlaubt die Produktion von Methan durch anaerobe Konversion der Abwasser-Inhaltsstoffe, ergänzt durch den C-Anteil der photosynthetisch aus dem CO₂ des Biogases gewonnenen Algenbiomasse und den C-Anteil der Überschuss-Biomasse des Biogas-Fermenters, die in der Aufarbeitung in im Wesentlichen organische Säuren zerlegt werden. Diese Verfahrenskombination hat dann denn Vorteil, dass kein CO₂ in die Atmosphäre abgegeben wird, und die Methanproduktion aus den Abwasser-Inhaltsstoffen ist somit auch Klima-neutral.In 8th the method according to claim 10 is shown with an example in which a combination with the method according to the application DE 10 2017 000 576 is realized. This combination of processes allows the production of methane by anaerobic conversion of the wastewater ingredients, supplemented by the C portion of the algae biomass obtained synthetically from the CO _{2 of} the biogas and the C portion of the excess biomass of the biogas fermenter, which are processed in essentially organic acids are broken down. This combination of processes then has the advantage that no CO _{2 is released} into the atmosphere, and the methane production from the wastewater ingredients is therefore also climate-neutral.

Die Vorteile des Verfahrens gemäß Anspruch 1 in seinen verschiedenen Ausführungsformen (Ansprüche 2 bis 12) sind außerordentlich vielfältig und zahlreich.The advantages of the method according to claim 1 in its various embodiments (claims 2 to 12) are extremely diverse and numerous.

Einmal wird die Reinigung von kommunalem und industriellem Abwasser in optimaler Weise mit maximaler Elimination von Abwasser-Inhaltsstoffen ermöglicht, die von aeroben und anaeroben Mikroorganismen, die bei der Biologischen Abwasserreinigung Verwendung finden, als Energie- und Nährstoff-Quellen aufgenommen und zum Wachstum verwertet werden.On the one hand, the cleaning of municipal and industrial wastewater is made possible in an optimal way with maximum elimination of wastewater ingredients, which are absorbed by aerobic and anaerobic microorganisms, which are used in biological wastewater treatment, as energy and nutrient sources and used for growth.

Zum Zweiten bietet das Verfahren die Möglichkeit, die Nährstoffe des Abwassers zurück zu gewinnen. Es nutzt die konzentrierende Eigenschaft der Bildung von Biomasse (Bakterien, Algen) aus dem Abwasser und gewinnt durch Aufarbeitung der gewonnenen Überschuss-Biomasse Nährstoffe zurück. Es ist damit die Basis für eine Ressourcen schonende und Recycling nutzende Abwasser-Reinigung.Secondly, the process offers the possibility of recovering the nutrients from the wastewater. It uses the concentrating property of the formation of biomass (bacteria, algae) from the wastewater and recovers nutrients by working up the excess biomass obtained. It is the basis for resource-saving and recycling-using wastewater treatment.

Die Gewinnung von Nährstoffen aus der Biomasse schließt den Kreislauf des Kohlenstoffs, des Stickstoffs und des Phosphors in idealer Weise, indem diese Kreisläufe stark verkürzt werden, wenn die gewonnenen Nährstoffe wieder als Dünger eingesetzt werden. Diese werden in einer Zusammensetzung und Qualität gewonnen, die die Möglichkeit bietet, sie auch dort als Dünger einzusetzen, wo kommunaler und industrieller Klärschlamm nicht mehr ausgebracht werden darf.The extraction of nutrients from the biomass ideally closes the cycle of carbon, nitrogen and phosphorus by greatly shortening these cycles when the obtained nutrients are used again as fertilizer. These are obtained in a composition and quality that enables them to be used as fertilizer where municipal and industrial sewage sludge can no longer be applied.

Es ersetzt die Energie-intensiven gängigen Verfahren der Stickstoff-Elimination (Nitrifikation und Denitrifikation bzw. Deammonifikation), bei denen der Stickstoff molekular als N₂ in die Atmosphäre emittiert wird und von dort nach Luftzerlegung und Hydrierung (z.B. mit dem Haber-Bosch-Verfahren) als Ammoniak bzw. Harnstoff als Stickstoffdünger gewonnen wird.It replaces the energy-intensive common processes of nitrogen elimination (nitrification and denitrification or deammonification), in which the nitrogen is emitted as N ₂ into the atmosphere and from there after air separation and hydrogenation (e.g. with the Haber-Bosch process ) is obtained as ammonia or urea as nitrogen fertilizer.

Die direkte Rückgewinnung von Phosphor durch Aufarbeitung der Biomasse (Überschuss-Schlamm bzw. Bioabfälle) ersetzt die heute für Klärschlamm übliche Verbrennung, bei der Kohlendioxid (und andere Schadgase) in die Atmosphäre emittiert werden und die durch die Verdampfung des Wasseranteils nur wenig und somit unwirtschaftlich Energie (Strom und Wärme) liefert.The direct recovery of phosphorus by processing the biomass (excess sludge or bio-waste) replaces that for today Sewage sludge usual combustion, in which carbon dioxide (and other harmful gases) are emitted into the atmosphere and which provides little and therefore uneconomical energy (electricity and heat) due to the evaporation of the water content.

Das Verfahren bietet mit der Konversion der erzeugten Biomasse die effiziente und nachhaltige Möglichkeit zur Produktion von speicherbarem Methan als Kraft- und Energiestoff, aber auch als Rohstoff für eine große Zahl von Synthesen und auch zur Wasserstoff-Produktion für Synthesen.With the conversion of the biomass produced, the process offers the efficient and sustainable possibility of producing storable methane as a fuel and energy material, but also as a raw material for a large number of syntheses and also for hydrogen production for syntheses.

Mit diesen und noch vielen weiteren Vorteilen stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine neue Möglichkeit zur Ressourcenoptimierung der Biologischen Abwasserreinigung dar.With these and many other advantages, the method according to the invention represents a new possibility for resource optimization in biological wastewater treatment.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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EP 0899241 A1 [0038]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Dauner et al. in the Journal of Bacteriology, Dec. 2001, pp. 7308-7317 [0056]

Claims

Process for optimizing the resources of biological wastewater treatment by adding an aqueous solution with essentially organic carbon compounds to the wastewater after preliminary treatment and before aerobic or anaerobic biological treatment (in a bioreactor) in a ratio that the mass ratio of carbon (C) to nitrogen (N ) and for phosphorus (P) in the wastewater after mixing the range from C / N / P = 120/10 / 1.5 to 80/10 / 2.5 for optimal growth of bacterial aerobic biomass or the range from C / N / P = 600/10 / 1.5 to 400/10 / 2.5 achieved for optimal growth of bacterial anaerobic biomass.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment after Claim 1 by the i. W. solution containing organic carbon compounds consists of organically polluted wastewater from industrial processes, food processing or processes of beverage production.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment after Claim 1 by the i. W. solution containing organic carbon compounds by hydrolysis and acidification or fermentation, preferably to alcohol, of i. W. Carbon-containing organic residues (organic solids, organic sludges) from industry, trade, food processing or from agricultural production.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment after Claim 1 , the i. W. solution containing organic carbon compounds is produced by hydrolysis and acidification of organic residues (organic solids, organic sludges) from industry, trade, food processing or from agricultural production by filtering the solution thus obtained into a fraction with i. W. Carbon (organic acids and alcohols) and in two or more fractions with the dissolved inorganic nutrients (especially N and P; cations and anions) is separated.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment after Claim 1 and Claim 4 by adding the separated fractions to the wastewater according to their content of C, N and P in such a way that the ratio C / N / P in the wastewater required for optimal biomass growth is achieved, whereby from the mixed wastewater aerobic or anaerobic biomass is now grown through optimal growth arises.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment after Claim 1 and 5 , the i. W. solution containing organic carbon compounds is produced by hydrolysis and acidification of the biomass, which according to optimal growth with the mixed waste water Claim 5 is created by filtering the solution thus obtained into a fraction with i. W. carbon (organic acids and alcohols) and in two or more fractions with the dissolved inorganic nutrients (especially N and P; cations and anions), and by mixing as much of each fraction into the wastewater by recycling that for optimal biomass growth required ratio C / N / P in wastewater is achieved.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment after Claim 1 , 3rd , 4th , and 6, whereby from the hydrolyzate marketable materials (products) such as amino acids, organic acids and mixtures for nutrient solutions, liquid fertilizers, animal feed, food supplements and the like. Ä. can be won, which can serve to cover costs of the operation or to generate profit through the sale.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment according to Claims 1 to 7 , in the production of the essentially carbon-containing solution by separation resulting partial streams of solutions and suspensions as well as the amount of i. not required to optimize the ratio C / N / P in the wastewater. W. Carbon-containing solution can be fed to a biogas reactor for the production of methane.

Process for optimizing the resources of biological wastewater treatment, whereby the wastewater after preliminary treatment and before aerobic or anaerobic biological treatment is fed to an algae bioreactor, in which a culture of microalgae or phototrophic bacteria by assimilation of the nutrients dissolved in the wastewater (such as nitrogen, phosphorus, potassium, etc.) ) and carbon dioxide fed to the bioreactor and thereby changing the C / N / P ratio in the waste water so that the range from C / N / P = 120/10 / 1.5 to 80/10 / 2.5 for optimal growth bacterial aerobic biomass or the range of C / N / P = 600/10 / 1.5 to 400/10 / 2.5 for optimal growth of bacterial anaerobic biomass is reached.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment after Claim 9 by supplying the biogas produced during the growth of anaerobic biomass to the algae bioreactor, so that the algae culture or culture of phototrophic bacteria assimilates the carbon dioxide present in the biogas as a carbon source, the The carbon dioxide content of the biogas is reduced and the methane content is increased, and by controlling the nutrient supply to the algae bioreactor in such a way that the algae culture increases the methane content in the biogas by up to 98% by assimilation of the carbon dioxide.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment according to the Claims 1 to 10th by also following the Claim 1 , 5 and 6 Biomass produced by optimal growth or the according Claim 9 Algae biomass produced according to the processing by hydrolysis, acidification, N- and P-separation as well as the extraction of valuable materials Claim 7 and the recovery of methane Claim 8 is subjected.

Process for resource optimization of biological wastewater treatment according to Claims 1 to 11 by using an automation system for the addition / metering of the fractions to the wastewater, which controls the metering of the fractions so that the concentrations of C, N and P all reach a minimum in the cleaned wastewater or in the bioreactor.